|
|
Контрольная работа Студент учебной группы Зкн172САз гуков Евгений Михайлович пинкод 38674 Проверил
Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
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 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, 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 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
ē = 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(ē) = 9,1∙10-31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n∙ē, 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 ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε = 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 какаято 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 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 напряжённость. В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, 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 в 1826 г. закон, согласно которого на участке цепи I=U/R и для замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а также закон Джоуля-Ленца9 Q = I∙U∙t для количества теплоты, выделяющейся при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме.
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».
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. Максвелл10, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира.
Теория электромагнитного поля Д. Максвелла
Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учёными. 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 нём А. Эйнштейн).
Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берёт 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) и «Динамическая теория поля» (1864–1865). 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 четырём утверждениям:
Уравнение
|
Утверждение
|
div H = 0
|
Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона
|
div E q
|
Магнитные заряды не существуют
|
|
Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток
|
|
Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями
|
Анализируя свои уравнения, Максвелл пришёл к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причём 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.
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 даёт 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.
3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.
4. При своём движении электроны сталкиваются с ионами решётки. Этим объясняется электрическое сопротивление.
Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах XX в.
Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение всего XX в. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но всё равно это была картина классической физики.
Основные её черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах – веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно – два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие – оптические, химические, тепловые. Всё в большей степени сводится к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.
В качестве элементарных «кирпичиков», из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы – электрон, протон и фотон. Фотоны – кванты электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм «примиряет» волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные «кирпичики» вещества – электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводятся к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось в дальнейшем неверным). Электрон и протон – стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, «мелочи», например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти «мелочи» являются принципиальными. Именно они и привели в дальнейшем к «краху» электромагнитной картины мира.
Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперёд в познании мира. Многие её детали сохранились и в современной естественнонаучной картине: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. Вэтой картине мира господствуют однозначные причинно-следственные связи, всё жёстко предопределено. Вероятностные физические закономерности не признаются фундаментальными и поэтому не включаются и в неё. Эти вероятности относили к молекулам, а сами молекулы всё равно следовали однозначным ньютоновским законам. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной. Таким образом для электромагнитной картины мира характерна метафизичность мышления, где всё четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.
Если надо кратко, то можно так
Разобьем эволюцию представлений об электромагнитной материи на этапы:
1 этап Милийская школа (VI – IV века до н.э.)
2 этап Атомистическая концепция (IV – III века до н.э.)
3 этап (XVIII – XIX века) В электромагнитной картине мира – материя состоит из вещества и непрерывного электромагнитного поля.
В Электромагнитной картине мира (XIX век ) движение – не только перемещение зарядов, но и изменение электромагнитного поля. Таким образом, взаимодействие заряженных частиц представляет собой электромагнитную форму движения. Изменение электромагнитного поля сопровождается распространением электромагнитных волн.
Волновые процессы:
- дифракция волн – огибание волнами препятствий; имеет место, если размеры препятствий порядка длины волны
- интерференция волн – наложение волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других; возникает при воздействии двух и более волн одинаковой частоты в случае, если разность фаз постоянна во времени (т.е. волны когерентны).
4 этап (XX век) Любое изменение материи называется движением. Так, например, движение – это возникновение и уничтожение тел, их рост и уменьшение, изменение качества, перемена мест.
Соответственно существуют и различные виды движения материи: механическое, тепловое, полевое (электромагнитные волны), химическое, биологическое и т.п.
- в определенных ситуациях физическое поле может быть представлено как совокупность дискретных частиц – квантов поля
- свойства материальных объектов неотделимы от свойств пространства и времени
- атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов
- свойство вещества определяется электронным строением его молекул. |
|
|
Скачать 148.14 Kb.