Доклад ДУдинов Павел Молекулярная физика и тернодинамика. Максвелл и его вклад в развитие науки

• Название: Максвелл и его вклад в развитие науки
• Дата: 01.02.2022
• Размер: 162.94 Kb.
• Имя файла: Доклад ДУдинов Павел Молекулярная физика и тернодинамика.docx
• Тип: Доклад; #348210

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Крымский федеральный университет имени В. И. Вернадского»

Таврическая академия

Факультет: «Философский»

ДОКЛАД

по элективной дисциплине «История современных открытий»

на тему:

«Максвелл и его вклад в развитие науки»

Выполнил: обучающийся 1 курса

Группы 2195

Дудинов П. Р.

Симферополь,2022
Введение:

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге, в семье адвоката владельца поместья в Шотландии. Мальчик рано проявил любовь к технике и желание постичь окружающий мир. На него большое влияние оказал его отец, высокообразованный человек, который глубоко интересовался проблемами естествознания и техники. В школе Максвелл был очарован геометрией, и его первой научной работой, выполненной в возрасте пятнадцати лет, было открытие простого, но не известного способа рисования овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование, сначала в Эдинбурге, а затем в Кембриджском университете.

В 1856 году молодой, многообещающий ученый был приглашен преподавать в качестве профессора в колледже в шотландском городе Абердин. Здесь Максвелл с энтузиазмом работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще разгадывает загадку колец Сатурна, математически доказывая, что они образованы из отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять кресло в Королевском колледже Лондона. Лондонский период (1860-1865) был самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до конца теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов. 

Переехав из Абердина, Максвелл продолжил свои исследования с неослабевающим напряжением, уделяя особое внимание кинетической теории газов. Говорят, что его жена (бывшая Екатерина Мэри Девар, дочь главы Маришальского колледжа) устроила пожар в подвале их лондонского дома, чтобы дать Максвеллу возможность проводить эксперименты на чердаке для изучения тепловых свойств газов. Но решающим и, безусловно, величайшим достижением Максвелла было его создание теории электромагнитного поля. 

Начало девятнадцатого века было изобиловало захватывающими открытиями. Вскоре после получения первых стационарных токов Эрстед показал, что ток, протекающий через проводник, генерирует магнитные эффекты, подобные тем, которые вызываются обычным постоянным магнитом. Поэтому было предложено, чтобы два токонесущих проводника вели себя как два магнита, которые, как вы знаете, могут либо притягивать, либо отталкивать. Действительно, эксперименты Ампера и других исследователей подтвердили наличие сил притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током. Вскоре стало возможным сформулировать закон притяжения и отталкивания с той же точностью, с которой Ньютон сформулировал закон гравитационного притяжения между любыми двумя материальными телами. 

Затем Фарадей и Генри обнаружили замечательное явление электромагнитной индукции и тем самым продемонстрировали тесную связь между магнетизмом и электричеством.

Однако существовала острая необходимость в создании единой теории, которая отвечала бы необходимым требованиям, которая позволила бы прогнозировать развитие электромагнитных явлений во времени и пространстве в наиболее общем случае при любых мыслимых конкретных экспериментальных условиях.

Это именно то, чем оказалась электромагнитная теория Максвелла, сформулированная им в виде системы нескольких уравнений, описывающих все многообразие свойств электромагнитных полей с использованием двух физических величин напряженности электрического поля E и напряженности магнитного поля H. Примечательно, что эти уравнения Максвелла в их окончательной форме и по сей день остаются краеугольным камнем физики, давая описание наблюдаемых электромагнитных явлений, соответствующих действительности.

При проектировании высоковольтной линии электропередачи для передачи электроэнергии на большие расстояния уравнения Максвелла помогают создать систему, минимизирующую потери; при проведении фундаментальных экспериментов в лаборатории по изучению свойств металлов в высокочастотном электрическом поле при очень низких температурах мы используем уравнения Максвелла для определения характера распространения электромагнитного поля внутри металла; Если мы строим новый радиотелескоп, способный захватывать электромагнитные шумы из космоса, то при проектировании антенн и волноводов, которые передают энергию от антенны к радиоприемнику, мы неизменно используем уравнения Максвелла. 

Существует закон, согласно которому сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле, прямо пропорциональна произведению величины заряда на компонент скорости, перпендикулярный направлению магнитного поля; эта сила известна нам как «сила Лоренца». Однако кто-то называет это «силой Лапласа». 

Нет такой неопределенности в уравнениях Максвелла; честь этого открытия принадлежит ему одному.

Следует отметить, что в прошлом веке он ни в коем случае не был единственным физиком, который пытался создать всеобъемлющую теорию электромагнетизма, другие тоже не без оснований подозревали о существовании глубокой связи между световыми и электрическими явлениями.

Главная заслуга Максвелла в том, что он по-своему пришел к изящной и простой системе уравнений, которая описывает все электромагнитные явления.

Уравнения Максвелла не только охватывают и описывают все известные нам электромагнитные явления; область их применения даже не ограничивается какими-либо мыслимыми электромагнитными явлениями, происходящими в конкретных местных условиях. Теория Максвелла предсказала совершенно новый эффект, наблюдаемый в космосе, свободном от материальных тел, электромагнитного излучения. Это, несомненно, уникальное достижение, которое венчает триумф теории Максвелла. 

Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея e_i = dФ/dt следует, что любое изменение магнитного потока индукции, связанного с цепью, приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и, как следствие, появляется ток индукции. Следовательно, возникновение электромагнитной индукции ЭДС также возможно в стационарной цепи, расположенной в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда на носители тока действуют внешние силы силы неэлектростатического происхождения. 

Опыт показывает, что эти внешние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в цепи; их возникновение также нельзя объяснить силами Лоренца, поскольку они не действуют на стационарные заряды. Максвелл предположил, что любое переменное магнитное поле возбуждает электрическое поле в окружающем пространстве, которое является причиной индукционного тока в цепи. Согласно идеям Максвелла, контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода «устройством», которое обнаруживает это поле. 

Ток смещения

Согласно Максвеллу, если какое-либо переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле в окружающем пространстве, то должно существовать и противоположное явление: любое изменение электрического поля должно вызывать появление вихревого магнитного поля в окружающем пространстве. Поскольку магнитное поле всегда связано с электрическим током, Максвелл назвал переменное электрическое поле, которое возбуждает магнитное поле, током смещения, в отличие от тока проводимости, из-за упорядоченного движения зарядов. По словам Максвелла, для возникновения тока смещения необходимо только наличие переменного электрического поля. 

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор. Между пластинами зарядного и разрядного конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, токи смещения «протекают» через конденсатор и в тех областях, где нет проводников. Следовательно, поскольку существует переменное электрическое поле (ток смещения) между обкладками конденсатора, магнитное поле также возбуждается между ними. 



Найдем количественную связь между изменяющимися электрическими и магнитными полями, вызванными этим. Согласно Максвеллу, переменное электрическое поле в конденсаторе в каждый момент времени создает такое магнитное поле, как если бы токопроводящий ток существовал между обкладками конденсатора силой, подобной силе токов в проводах питания. Тогда можно утверждать, что плотности тока проводимости (j) и смещения (jcm) равны: j_cm = j. 

Плотность тока проводимости вблизи пластин конденсатора, s плотность поверхностного заряда, S площадь пластин конденсатора. Если электрическое смещение в конденсаторе равно D, то плотность поверхностного заряда на пластинах равна s = D. 

Поскольку ток смещения возникает при любом изменении электрического поля, он существует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, через которые протекает переменный ток. Однако в этом случае оно незначительно по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения было экспериментально подтверждено советским физиком А. А. Эйхенвальдом, который изучал магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения. 

В общем случае токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном объеме. Поэтому Максвелл ввел понятие общего тока, равного сумме токов проводимости (а также токов конвекции) и смещения.

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока по-новому. Общий ток в них всегда замкнут, то есть на концах проводника обрезается только ток проводимости , а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника возникает ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля

Введение Максвеллом концепции тока смещения привело его к завершению единой макроскопической теории электромагнитного поля, которую он создал, что позволило с единой точки зрения объяснить не только электрические и магнитные явления, но и предсказывать новые, существование которых было позже подтверждено.

Это уравнение показывает, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и изменяющиеся во времени магнитные поля.

Это уравнение показывает, что магнитные поля могут быть возбуждены либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Из уравнения Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо магнитные поля, которые меняются во времени, а магнитные поля могут быть возбуждены либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрических и магнитных полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет магнитных зарядов. 

В этом случае электрические и магнитные поля не зависят друг от друга, что позволяет отдельно изучать постоянные электрические и магнитные поля.

Если заряды и токи непрерывно распределены в пространстве, то обе формы уравнений Максвелла, интегральная и дифференциальная, эквивалентны. Однако, когда существуют поверхности разрыва поверхности, на которых свойства среды или полей резко изменяются, интегральная форма уравнений является более общей. 

Уравнения Максвелла являются наиболее общими уравнениями для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют ту же роль в теории электромагнетизма, что и законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с генерируемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с генерируемым им магнитным полем, то есть электрическое и магнитное поля неразрывно связаны с каждым другие они образуют единое электромагнитное поле. 

Теория Максвелла является макроскопической, поскольку она рассматривает электрические и магнитные поля, созданные макроскопическими зарядами и токами. Поэтому эта теория не смогла раскрыть внутренний механизм явлений, которые происходят в окружающей среде и приводят к возникновению электрических и магнитных полей. Дальнейшим развитием теории Максвелла об электромагнитном поле была электронная теория Лоренца, а теория Максвелла-Лоренца получила дальнейшее развитие в квантовой физике. 

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным следствием этого, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории было существование магнитного поля токов смещения, существование электромагнитных волн переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. Позднее было доказано, что скорость распространения в вакууме свободного электромагнитного поля (не связанного токами) равна скорости света c=3·108 м/с. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет также является электромагнитными волнами. Электромагнитные волны были экспериментально получены Г. Герцем (1857 1894), который доказал, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение. 

Заключение

Позже А. Эйнштейн установил, что принцип относительности Галилея для механических явлений применим ко всем другим физическим явлениям.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета происходят одинаково, то есть описываются одними и теми же уравнениями. Из этого принципа следует, что раздельное рассмотрение электрических и магнитных полей имеет относительный смысл. Таким образом, если электрическое поле создается системой стационарных зарядов, то эти заряды, будучи стационарными относительно одной инерциальной системы отсчета, перемещаются относительно другой и, следовательно, будут генерировать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, проводник постоянного тока, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета, возбуждая постоянное магнитное поле в каждой точке пространства, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле. 

Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, основанной на концепции электромагнитного поля.