История создания электромагнитной картины мира

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………...3

 

1. Основные законы электромагнетизма………………………………5

2. Теория электромагнитного поля  Д. Максвелла…………………....10

3. Электронная теория Лоренца……………………………………….12

 

Заключение……………………………………………………………..13

 

Список используемой литературы………………………………....…15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Одной из важнейших черт человека, как разумного существа, отличающей его от животного, является то, что он в своих действиях опирается на разум, на систему знаний и их оценку. Поведение людей, степень эффективности решаемых ими задач, конечно, зависит от того, насколько адекватно и глубоко их понимание реальности, в какой мере они могут правильно оценивать ту ситуацию, в которой им приходится действовать и применять свои знания.

С давних пор в человеческой жизни большое  значение приобретали не только те знания, которые имели непосредственное практическое значение, но и те, которые  относились к общим представлениям о природе, обществе и самом человеке. Именно последние как бы скрепляют в единое целое духовный мир людей. На их основе возникали, формировались и развивались традиции во всех сферах человеческой деятельности. Важную роль при этом играет то, как человек представляет устройство мира. Человеческое самосознание стремится представить себе окружающий мир, т.е. увидеть мысленным взором то, что называют Вселенной, и найти свое место среди окружающих вещей, определить свое положение в космической и природной иерархии. С древних времен людей беспокоят вопросы об устройстве мира, о возможности его познания, его практического освоения, о судьбах народов и всего человечества, о счастье и справедливости в человеческой жизни. Без стремления постичь мир в его целостности, желания понять природу и общественные явления человечество не создало бы ни науки, ни искусства, ни литературы.

Современная наука нацелена на построение единой, целостной картины мира, изображая ее как взаимосвязанную "сеть бытия". В общественном сознании исторически складываются и постепенно изменяются разные картины мира, которые обычный человек воспринимает как данность, как объективность, существующую независимо от наших личных мнений. Картина мира означает как бы зримый портрет мироздания, образную копию Вселенной, взглянув на которую, можно понять и увидеть связи действительности и свое место в ней. Она подразумевает понимание того, как устроен мир, какими законами он управляется, что лежит в его основе и как он развивается. Поэтому понятие "картина мира" занимает особое место в структуре естествознания.

Я расскажу, опишу и представлю историю создания и развития электромагнитной картины  мир, пожалуй, самой интересной с  точки зрения познания мира, и природных  явлений как таковых.

 

 

 

1. Основные законы электромагнетизма

 

Рассмотрим электромагнитную картину мира со времен ее создания. Существенный вклад в эту картину внесла физика.

Электромагнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к временам Древней Греции, когда древние греки пытались объяснить явление отталкивания двух кусков янтаря, натертых тряпочкой, друг от друга, а также притягивания ими мелких предметов. Впоследствии было установлено: существует два вида электричества - положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых  тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении  «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в XIII в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: этим и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

XVIII-й век, ознаменовавшийся становлением механической картины мира, фактически положил начало систематическим исследованиям электромагнитных явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине XVIII в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для электрических зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем  было установлено, что электрический  заряд состоит из целого числа  элементарных зарядов е = 1,6*10^-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда. Это электрон, имеющий массу m_e = 9,1*10^-31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n*e, где n – целое число. В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в XVIII – XIX вв., учеными-мыслителями был получен ряд важнейших законов, таких как:

1) закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков;

2) величина заряда не зависит от его скорости;

3) закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

 

,

 

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε = 1). Согласно этого закона силы Кулона существенны на расстояниях до 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (так называемое сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к бесконечности.

Исследование  взаимодействия зарядов, проводившееся  в XIX в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку было введено понятие «электромагнитного поля». В процессе формирования этого понятия на смену механической модели «эфира» пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные "состояния" эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется особая среда ­ «эфир».

Доказательством этих утверждений являются работы выдающегося английского физика М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал φ.

Природа магнетизма оставалась неясной до конца  XIX в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля (рис.1) силовые линии магнитного поля замкнуты (рис.2), т.е. оно является вихревым.

 

 

 

В течение осени 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер работает над новым разделом науки об электричестве – электродинамике.

Законы  Ома, Джоуля-Ленца - одни из важнейших открытий в области электричества. Открытый Г. Омом в 1826 г. закон, согласно которого на участке цепи I=U/R и для замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а также закон Джоуля-Ленца Q = I*U*t для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме.

Исследования  английского физика М.Фарадея (1791-1867 гг.) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и поддерживая идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона заключается в том, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС_i = k*dФ_m/dt, где dФ_m/dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

 

 

 

 

Работая над  исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитного поля. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д. Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и непосредственно привела к созданию электромагнитной картины мира.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла

 

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез  другими учеными. Дело в том, что  Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного  обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который  никогда не погрязал в формулах» – сказал о нем А. Эйнштейн).

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идеи близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию  поля Д. Максвелл разрабатывает в  своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865 гг.) и «Динамическая теория поля» (1864-1865 гг.). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые, по словам Г.Герца составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме  вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление  магнитного поля. Таким образом, в  физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике, этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической  системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих  посредством электромагнитного  поля.

Система уравнений для электрических  и магнитных полей, разработанная  Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны четырем утверждениям:

 

Уравнение	Утверждение
div E ~ q	Электрическое поле, соответствующее  какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона
div H = 0	Магнитные заряды не существуют
	Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток
	Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями

 

Анализируя  свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения  должна равняться скорости света. Отсюда вытекал вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной  научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Разработав  электромагнитную картину мира, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

 

 

 

 

3. Электронная теория Лоренца

 

Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что  теория Максвелла нуждается в  дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение  электронной теории, опирающейся, с  одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления  об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1897 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

1. В металле  есть свободные электроны –  электроны проводимости, образующие  электронный газ.

2. Основание металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.