Военный институт материального обеспечения
Volsk Military Logistic Institute
Электромагнитная картина мира
Electromagnetic system of nature
Корпан А.А., Френкель Е.Э.
Korpan A.A., Frenkel` E.E.
Вольск, Россия
Volsk, Russia
Содержание
Введение
1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма
2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла
3. Электронная теория Лоренца
Заключение
Литература
Введение
Одной из важнейших характеристик человека, 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 своё положение в космической и природной иерархии. С древних времен людей беспокоят вопросы об устройстве мироздания, 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 её 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, образно-понятийную копию Вселенной, взглянув на которую, можно понять и увидеть связи действительности и своё 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.
Картины мира отводят человеку определённое место во Вселенной и помогают ему ориентироваться в бытии. Каждая из картин мира даёт свою версию того, каков мир на самом деле и какое место занимает в нём человек. Отчасти картины мира противоречат друг другу, а отчасти взаимодополнимы и способны составлять целое. С развитием науки на смену одной картине мира приходит другая. Это называют научной революцией, понимая под ней коренную ломку прежних представлений о мире. Каждая картина мира сохраняет от своих предшественниц лучшее, важнейшее, отвечающее объективному устройству Вселенной. Новая картина сложнее старой. С философской точки зрения мир есть действительность, взятая как целое, схваченная в некотором её качественном единстве. Однако мир как целое не дан нам непосредственно, поскольку мы занимаем конкретную позицию; мы частичны и ограничены небольшим сегментом реальности.
1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма
Рассмотрим электромагнитную картину мира со времён её зарождения.
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, натёртых тряпочкой, друг от друга, а также притягивания ими мелких предметов. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.
Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны ещё 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 Уильям Гильберт (англ. William Gilbert, 24.05.1544, Колчестер (графство Эссекс) - 30.11.1603, Лондон) - английский физик, придворный врач Елизаветы I и Якова I. Изучал магнитные и электрические явления, первым ввёл термин «электрический». 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 одноимённые заряды отталкиваются, появился простейший прибор - электроскоп. В середине XVIII в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина Бенджамин Франклин (англ. Benjamin Franklin; 17.01.1706, Бостон, Провинция Массачусетс-Бэй - 17.04.1790, Филадельфия, США) - американский политический деятель, дипломат, изобретатель, писатель, журналист, издатель. , М. Ломоносова Михаимл Васимльевич Ломономсов (1711-1765) - первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик и физик; он вошёл в науку как первый химик, который дал физической химии определение, весьма близкое к современному, и предначертал обширную программу физико-химических исследований; его молекулярно-кинетическая теория тепла во многом предвосхитила современное представление о строении материи и многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; заложил основы науки о стекле. Астроном, приборостроитель, географ, металлург, геолог, поэт, филолог, художник, историк и генеалог, поборник развития отечественного просвещения, науки и экономики.
Разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь. Открыл наличие атмосферы у планеты Венера. Статский советник, профессор химии (с 1745), действительный член СанктПетербургской Императорской и почётный член Королевской Шведской академий наук. Яркий пример «универсального человека».
4 Георг Вильгельм Рихман (нем. Georg Wilhelm Richmann; 1711-26.07(6.08)1753) - российский физик; действительный член Академии наук и художеств (адъюнкт с 1740, профессор физики с 1741). Основные работы по калориметрии и электричеству. Вывел носящую его имя формулу для определения температуры смеси однородных жидкостей, имеющих разные температуры. Проводил опыты по теплообмену и испарению жидкостей в различных условиях. Предложил первую работающую модель электроскопа со шкалой. Соратник и друг М.В. Ломоносова. Погиб при проведении опытов с атмосферным электричеством.
Шарль Огюстемн де Куломн (фр. Charles-Augustin de Coulomb, 14.06.1736-23.08.1806) - французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений; член Парижской Академии наук. Его именем названы единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов.
6 Майкл Фарадей (англ. Michael Faraday, 22.09.1791, Лондон - 25.08.1867, Лондон) - английский физикэкспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830). Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом. , Г. Рихмана4, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "-" для электрических зарядов). электромагнетизм максвелл вселенная
В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноимённых зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.
В конце 19-го - начале 20-го века опытным путём было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов з = 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(з) = 9,1?10-31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n•з, где n - целое число. В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в XVIII - XIX в., учёными-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 Кулона5 [6]:
где е - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме е = 1). Согласно этому закону 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 ещё 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 определённый вид материи и для его распространения не требуется какая-то особая среда - «эфир».
Доказательством этих утверждений являются работы выдающегося английского физика М. Фарадея6. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создаёт поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряжённость. Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал ц.
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 Ханс Кристиан Эрстед (дат. Hans Christian Шrsted,(14.08.1777, Рудкёбинг, о. Лангеланн - 9.03.1851, Копенгаген) - датский учёный, физик, исследователь явлений электромагнетизма. не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряжённость. В отличие от незамкнутых линий электрического поля (рис. 1) силовые линии магнитного поля замкнуты (рис. 2), т.е. оно является вихревым.
В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве - электродинамику.
Законы Ома, Джоуля-Ленца стали одними из важнейших открытий в области электричества. Открытый Г. Омом Геомрг Симмон Ом (нем. Georg Simon Ohm; 16.03.1787, Эрланген, - 6.07.1854, Мюнхен) - немецкий физик. Он вывел теоретически и подтвердил на опыте закон, выражающий связь между силой тока в цепи, напряжением и сопротивлением (известен как закон Ома). Его именем названа единица электросопротивления (Ом). 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 Эмилий Христианович Ленц (при рождении Генрих Фридрих Эмиль Ленц, нем. Heinrich Friedrich Emil Lenz; 12 (24) февраля 1804, Дерпт - 29 января (10 февраля) 1865, Рим) - русский физик немецкого происхождения. Выходец из балтийских немцев. Э. Х. Ленц является одним из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока, ректор Императорского Санкт-Петербургского университета (1863--1865). Q = I•U•t для количества теплоты, выделяющейся при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме [6].
Исследования английского физика М. Фарадея (1791-1867) придали определённую завершённость изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя 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 ЭДСi = k•dФm/dt, где dФm/dt - скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 г. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».