Виникнення й розвиток електродинаміки

План

1. Перетворення електрики на магнетизм

2. Перетворення магнетизму на електрику

3. Ідея поля

4. Фізичне поле Фарадея

5. Дві основи теорії поля

6. Теорія електромагнітного поля Максвелла 

7. Основні передумови

8. Струм зміщення

9. Реальність поля

10. Поле та ефір

Коли в грудні 1801 р. Алессандро Вольта вперше демонстрував на урочистих зборах Французького інституту джерело електричного струму, яке він винайшов, ні сам доповідач, ні присутні при цьому найвідоміші французькі вчені навіть не підозрювали, що головним напрямком подальших досліджень у цій галузі стане електромагнетизм. Утім, цей новий напрямок виявив себе лише через двадцять років потому в потоці надзвичайних нових відкриттів, які ще через півстоліття спричинили могутній технічний переворот.

Перетворення електрики на магнетизм

Перші важливі кроки в цьому напрямку зробив датський фізик X. К. Ерстед (1777-1851). Перебуваючи під впливом ідей Шеллінга про єдність "усіх сил природи", Ерстед вважав, що повинен існувати зв'язок між електричними й магнітними явищами. Цей зв'язок йому вдалося продемонструвати в 1820 р. у дослідах, які підтвердили вплив електричного струму на магнітну стрілку. Досліди справили на сучасників сильне враження; їх негайно повторили в Німеччині, Швейцарії, Франції.

У тому ж 1820 р. французький фізик А. Ампер (1775-1836) виступив з повідомленням про нове явище — взаємодію двох провідників, по яких тече струм. У цьому ж повідомленні Ампер уперше висловив думку про електричну природу магнетизму. Протягом дуже короткого часу він виконав ряд важливих досліджень, які блискуче підтвердили його думку. Усі отримані результати Ампер систематизував у книзі "Теорія електродинамічних явищ, виведена винятково з досліду", опублікованій у 1826 р. Відтепер з магнітними рідинами було покінчено, тепер у них не було необхідності. Магнітні явища, як виявилося, обумовлені електричними струмами. Магніт потрібно було розглядати, виходячи із сукупності кругових електричних струмів, площини яких перпендикулярні до прямої, проведеної через полюси магніту. Спіраль зі струмом (соленоїд) уподібнювалася магніту. З повним правом Ампер міг заявити: "Таким чином, усі магнітні явища я звів до чисто електричних дій". Розробляючи основи електродинаміки нового напрямку, який об'єднав електрику й магнетизм, учений запропонував вираз для сили, з якою взаємодіють два елементи струму; цей вираз є в усіх сучасних підручниках з електродинаміки. Зокрема, він звернув увагу на те, що електродинамічні сили, на відміну від відомих на той час гравітаційних та електростатичних, не є центральними.

Перетворення магнетизму на електрику

У 20-х роках XIX ст. проблемами електромагнетизму зацікавився геніальний англійський учений-самоук М. Фарадей (1791-1867). Ерстед та Ампер перетворили електрику на магнетизм; Фарадей поставив перед собою завдання — перетворити магнетизм на електрику. З 1831 р. він почав систематичну публікацію своїх досліджень, у результаті чого виникла багатотомна праця під загальною назвою "Експериментальні дослідження з електрики". У першій серії цієї праці (1831) описані знамениті досліди Фарадея, які привели до відкриття явища електромагнітної індукції. Фарадей довів, що зміна магнітного потоку в часі породжує електрорушійну силу індукції, і, отже, приводить до виникнення електричного струму в замкнутому контурі. Напрямок цього струму визначається правилом, яке встановив молодий професор Петербурзького університету Е. X. Ленц (1804-1865).

У другій серії своїх "Експериментальних досліджень" (1832) Фарадей продовжує вивчення електродинамічної індукції. У третій серії (1833) він довів, що різноманітність видів електрики є удаваною. Вивчаючи дії, виконані звичайною, вольтовою, "тваринною", термічною, магнітною електрикою, він дійшов висновку: "Усі види електрики ідентичні за своєю природою". Правда, сама ця природа не була ще зрозумілою на той час. Фарадей обережно зауважив з цього приводу: "Під струмом я маю на увазі щось таке, що рухається поступально — усе одно, що при цьому перебуває в русі: електрична рідина чи дві рідини, які рухаються в протилежних напрямках".

П'ята серія присвячена електролізу. Тут, а також у наступних трьох серіях Фарадей досліджує "хімічні дії" електричного струму. Усього вийшло двадцять серій. У дев'ятнадцятій серії розглядається відкрите Фарадеєм явище обертання площини поляризації світла в намагніченому середовищі. "Таким чином, — зробив висновок учений, — уперше, на мою думку, установлено справжній безпосередній зв'язок і залежність між світлом і магнітними й електричними силами і тим самим зроблено велике доповнення до фактів і міркувань, що служать для доведення того, що всі природні сили пов'язані між собою і мають єдине спільне походження".

Ідея поля

Фізичне поле Фарадея

Фарадей відмовився від ньютонівської концепції дальньої дії; він увів у фізику зовсім новий об'єкт — фізичне поле. Відповідно до нової концепції вплив одного струму на інший пояснюється тим, що перший струм створює навколо себе в просторі магнітне поле, а це поле діє на другий струм, що знаходиться в ньому. Аналогічно: другий струм створює своє магнітне поле, яке діє на перший струм. Із цього приводу Д. К. Максвелл писав Фарадею (1857): "Тепер, наскільки мені відомо, Ви є першою людиною, в якої виникла ідея про те, що тіла діють одне на одне на відстані за допомогою приведення навколишнього середовища в стан напруги, ідея, в яку справді варто повірити. У нас були колись потоки гачечків, що літають навколо магнітів, і навіть картинки, на яких зображено оточені ними магніти; але немає нічого більш зрозумілого, ніж Ваш опис. Мені здається, що Ви чітко бачите, як силові лінії огинають перешкоди, женуть сплески напруги в провідниках, повертають уздовж визначених напрямків у кристалах і несуть із собою все ту ж саму кількість здатності до притягання, розподілену розрідженіше чи густіше в залежності від того, розширюються ці лінії чи згущуються".

Властивості самого поля є істотними для опису явища. Відмінності між джерелами поля не є принциповим питанням. Значення поняття поля виявляється в тому, що воно приводить до нових експериментальних фактів. Поле виявилося дуже корисним поняттям. Воно виникло як щось таке, що перебуває між джерелом і магнітною голкою для того, щоб описати діючу силу. Його сприймали як "агента" струму, через який виконувалися всі його дії. Але агент діє і як перекладач,котрий перекладає закони на просту, зрозумілу мову.

Перший успіх опису за допомогою поля показав, що воно може бути зручним для вивчення всіх дій струмів, магнітів і зарядів. Поле можна розглядати як щось, що завжди пов'язане зі струмом. Воно існує, навіть якщо відсутній магнітний полюс, за допомогою якого можна встановити його існування. Якщо електричний заряд і магнітний полюс перебувають у стані спокою, то між ними немає ніякої взаємної дії: ні притягання, ні відштовхування. Виражаючи подібний факт мовою поля, ми можемо стверджувати: електростатичне поле не впливає на магнітостатичне й навпаки. Поняття "статичне поле" означає, що мова йде про поле, яке не змінюється в часі. Магніти й заряди могли б вічно залишатися поруч, якби ніяка зовнішня сила не порушувала їхнього стану. Електростатичні, магнітостатичні й гравітаційні поля мають різний характер. Вони не змішуються: кожне зберігає свою індивідуальність незалежно від інших.

Дві основи теорії поля

Перша основа теорії електричного й магнітного поля це зв'язок між електричним полем, що змінюється, і магнітним полем. Друга пов'язує магнітне поле, що змінюється, з індукційним струмом і ґрунтується на досліді Фарадея. Обидві вони лежать в основі кількісного опису поля.

Необхідно згадати ще про один наслідок теорії поля. Нехай ми маємо контур, по якому тече струм, джерелом якого є, наприклад, батарея Вольта. Раптово зв'язок між провідником і джерелом струму розривається. Тепер, звичайно, ніякого струму немає. Але в момент цього короткого розриву спостерігається складний процес, який знову-таки можна було б передбачити за допомогою теорії поля. Перед розривом потоку струму навколо провідника існувало магнітне поле. Воно перестало існувати в момент, коли потік струму перервався. Отже, через розрив потоку струму магнітне поле зникло. Кількість силових ліній, що проходять через поверхню, оточену контуром, дуже швидко змінилася. Але така швидка зміна, як би вона не відбувалася, повинна спричинити виникнення індукційного струму. Що дійсно має значення, — так це зміна магнітного поля, яка збуджує індукційний струм, сила якого тим більша, чим значнішою була зміна поля. Розрив потоку струму повинен супроводжуватися виникненням сильного короткочасного індукційного струму — при цьому спостерігається іскра. Ця іскра вказує на величезну різницю потенціалів, викликану швидкою зміною магнітного поля.

Той же самий процес можна розглядати з іншого погляду, з погляду енергії. Магнітне поле зникло, але з'явилася іскра. Іскра має деяку енергію, тому і магнітне поле повинно мати енергію. Щоб послідовно застосовувати поняття поля і його мову, ми повинні сприймати магнітне поле як запас енергії. Тільки на цьому шляху ми зможемо описати магнітні й електричні явища згідно із законом збереження енергії. Приписування полю енергії є подальшим кроком у розвитку, у якому поняття поля стає все більш істотним, а субстанціональні концепції,