В древности были получены также самые первые
advertisement
РЕФЕРАТ на тему: «ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМЕ» Курган 2007 2 Содержание Введение 1 3 Исследование электрических и магнитных явлений в XVI – 4 XVIII веках 1.1 Первые систематические исследования электричества и 4 магнетизма 1.2 Изобретение лейденской банки 6 1.3 Создание «унитарной теории» Б. Франклина 7 2 Возникновение и развитие электростатики 10 2.1 Установление закона Кулона 10 2.2 Разработка математической теории электричества и магнетизма 12 3 Возникновение и развитие электродинамики 14 3.1 Открытие гальванического элемента 14 3.2 Опыты Эрстеда. Установление закона Ампера 16 3.3 Установление законов постоянного тока 19 3.4 Открытие электромагнитной индукции 20 3.5 Практическое применение открытий в области 24 электродинамики 3.6 Теория электромагнитного поля Максвелла 25 Признание электромагнитного поля как самостоятельной 29 4 физической реальности Заключение 31 Список использованных источников 33 3 Введение Первые сведения об электрических и магнитных явлениях были известны уже в древности. Как правило, они были получены в результате хозяйственной деятельности человека, а также в результате случайных наблюдений. Так, древним ученым было известно свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы (слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что значит янтарь). Древние греки знали, что существует особый минерал - железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. А китайцам давно было известно свойство куска магнитного железняка ориентироваться в определенном направлении относительно частей света, что было использовано для устройства компаса. Свойство магнита объясняли в организмическом духе: магнит уподоблялся живому существу. Говорили, что он имеет душу, которая и обусловливает свойство притягивать железо. Однако следует отметить, что уже в то время на Дальнем Востоке и Индии, в Древней Греции начинали делаться первые попытки объяснить происходящие явления на основе представлений о мире, которые отличались от мифологических и религиозных воззрений. Так атомисты объясняли магнитные явления материалистически. С развитием мореплавания, к XII в., все большее внимание начинает уделяться изучению магнитного поля Земли, а вместе с этим и магнитным явлениям вообще (уже Колумб понял важность знания магнитного склонения). Таким образом, развитие первых представлений об электромагнетизме стимулирует практическая деятельность человека в различных сферах жизни, но до возникновения первых научных теорий было еще далеко. 4 1 Исследование электрических и магнитных явлений в XVI – XVIII веках 1.1 Первые систематические исследования электричества и магнетизма Систематические исследования электрических и магнитных явлений были начаты в конце XVI в. Уильямом Гильбертом (1544 - 1603) и явились первым существенным шагом в этой области. Далее они были продолжены такими учеными как О. Герике, Р. Гук, И. Ньютон, Р. Бойль. В 1600 г. в своей книге «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» Гильберт описывает уже известные факты из области магнетизма. В ней говорится о том, что магнитные свойства присущи только магнитной руде, железу и стали; что магнит всегда имеет два полюса и что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные - притягиваются; описывается явление магнитной индукции. Также он высказал гипотезу о земном магнетизме (Земля - большой шарообразный магнит, полюса которого расположены возле географических полюсов). Уильям Гильберт уделил внимание исследованию электрических явлений. Электрические свойства в отличие от магнитных присущи многим веществам (янтарю, алмазу, хрусталю, стеклу, сере и многим другим). Именно Гильберту принадлежит термин «электричество» (от греческого названия янтаря). С помощью прибора «версор» - прототипа современных электроскопов - Гильберт, исследуя электрические свойства тел, разделил последние на электрические и неэлектрические. Он также показал, что электрические явления следует отличать от магнитных. В сочинении Гильберта много интересных наблюдений, но много и фантастики в духе средневековой алхимии. Однако после исследований Гильберта в течение более ста лет в учении об электричестве и магнетизме было получено мало новых результатов. 5 В начале распространенным XVIII в. опыты развлечением. с Этому электричеством становятся способствует появление многочисленных приборов и книг по электричеству. Теперь исследованиями электричества занимаются не только ученые, но и любители, причем исследователям-дилетантам принадлежит немалая роль в быстром развитии этой области знаний. Известно, что Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская через цепь солдат разряд электричества. В 1700 г. доктор Уолл впервые увидел (и почувствовал) электрическую искру от большого наэлектризованного куска янтаря, - она проскочила ему в палец. Френсис Гауксби, демонстратор Лондонского королевского общества, в 1706 г. сконструировал первую стеклянную электрическую машину. Он же обнаружил отталкивание наэлектризованных предметов. Член Лондонского королевского общества Стефан Грей (1666 - 1736) в 1729 г. открыл явление электропроводимости и обнаружил, что для сохранения электричества нужно изолировать тело. Именно Грей проводил опыты с электризацией человеческого тела: он наэлектризовал ребенка, подвесив его на шнурах из волос, а затем поставив на смоляной диск. Он же первым разделил все тела на проводники и непроводники электричества. Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфэ (1698 - 1739) в 1734 г. установил существование двух родов электричества. Он писал, что открыл принцип, «проливающий новый свет на электрическую материю. Этот принцип заключается в том, что существует два рода электричества, одно из которых я называю стеклянным электричеством, другое - смоляным электричеством. Первое имеет место в стекле, горном хрустале, драгоценных камнях, волосах, шерсти и во многих других телах. Второе - в янтаре, в камеди, шелке, нити, бумаге и в большом количестве других веществ. Характерным для этих двух электричеств является способность отталкивать и притягивать одно другое. Так, если тело обладает стеклянным электричеством, оно отталкивает тела, содержащие такое же электричество, и, наоборот, притягивает все то, что имеет смоляное электричество. Соответственно смоляное электричество 6 отталкивает смоляное и притягивает стеклянное». То есть им были установлены два типа зарядов - положительные и отрицательные. Он впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома. 1.2 Изобретение лейденской банки Существенным шагом в изучении электрических явлений явилось изобретение лейденской банки (стеклянного конденсатора) в 1745 -1746 гг., которое было сделано почти одновременно немецкими учеными Клейстом и Мушенбруком (1692 - 1761). Название связано с городом Лейденом, где Мушенбрук проделал первые опыты с лейденской банкой. Важность этого изобретения заключалась в том, что теперь физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Кстати, после этого изобретения опыты с электричеством стали опасными. С изобретением лейденской банки ряд ученых обращает внимание на физиологическое действие электричества. Уже Мушенбрук писал: «Хочу сообщить... новый, но ужасный опыт, который не советую Вам повторять. Я занимался изучением электрической силы. Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искры. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Несмотря на то, что сосуд, сделанный из тонкого стекла, не разбивается и кисть руки обычно не смещается при таком потрясении, тем не менее локоть и все тело поражаются столь страшным образом, что я не могу выразить словами. Я думал, что все кончено» [4, 171]. У врачей и физиологов появляется мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности живого организма. Писались трактаты об «электричестве человеческого тела», об «электрической лечебной материи» и т. п. Хотя электричество в лечебных целях начали использовать гораздо позже, 7 тем не менее, поиски способов такого применения уже в XVIII в. сыграли стимулирующую роль в развитии исследований электрических явлений. 1.3 Создание «унитарной теории» Б. Франклина В связи с открытием электрической природы молнии исследование электричества приобретает практическое значение. Мысль об электрической природе молнии высказывалась и до изобретения лейденской банки. Однако только после того, как стало возможным искусственно получать большие заряды, она получила достаточное основание. Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) много занимался исследованием электрических явлений. Результаты своих работ в период с 1747 по 1754 г. он отправлял члену Королевского общества Коллинсону. «Письма» Франклина оказались необычайно популярными и были изданы отдельной книгой, а затем переведены на многие европейские языки. В одном из своих писем Франклин изложил гипотезу об электрической природе молнии и предложил экспериментальный метод проверки этой гипотезы. Следует отметить, что в середине XVIII в. Франклин дает очень важное теоретическое осмысление многочисленных опытов по электричеству. В его работах начинают формироваться понятия электрического заряда и закона его сохранения. Он делает попытку разработать «унитарную теорию». До Франклина же взгляды на природу электричества были примитивными и основывались на представлении о существовании «электрических атмосфер», «вихревой электрической материи» и т. д. В основе «унитарной теории» лежало существование некой жидкой «электрической субстанции», состоящей из очень малых частиц и способной проникать внутрь материи, не встречая сопротивления. Между частицами электрической субстанции действуют силы отталкивания, а между этими частицами и частицами обычной материи - силы притяжения. Обычная материя впитывает частицы электрической субстанции подобно губке. Для каждого 8 тела, считает Франклин, существует определенное количество электрической субстанции, вместив которое, тело полностью им наполняется и при этом оказывается электрически нейтральным. Если же сверх этого количества добавить телу еще некоторое количество электрической субстанции, то эта материя образует вокруг него электрическую атмосферу, тело будет наэлектризовано положительно. Если же у тела отнять некоторое количество электрической субстанции, то оно наэлектризуется отрицательно. По Франклину, при электризации никакая электрическая материя не создается, она только перераспределяется. И если одно из тех электризуется положительно, то другие тела должны электризоваться отрицательно. При этом количество положительного электричества равно образовавшемуся отрицательному электричеству. Теоретические воззрения Бенджамина Франклина нашли понимание в тогдашнем научном сообществе. Однако были и несогласные. Аббат Нолле и некоторые другие ученые видели причину данного явления в процессах, происходящих не внутри электризуемых тел, а вне их, в пространстве. Оппозиция, особенно во Франции, был столь сильна, что Леминье, составлявший в 1752 г. статью «Электричество» для «Энциклопедии» Дидро, вообще обошел молчанием теорию Франклина. Идея Франклина была развита петербургским академиком Францем Эпинусом (1724 электрической - 1802). жидкости, Эпинус между также частицами предполагал которой существование действуют силы отталкивания, а между ними и частицами обычных тел - силы притяжения. Эпинус четко формулирует закон сохранения электрического заряда, ссылаясь на ряд своих опытов. Он пишет: «...ясно, что нельзя создать один вид электричества без того, чтобы не создать другого. Иными словами, если я хочу в каком-либо теле увеличить количество электрической материи, я должен неизбежно взять ее вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле. По этой же причине я не смогу где-либо уменьшить электрическую материю без того, чтобы не передать ее в другое тело и там ее не увеличить. Таким образом, едва возникает электричество положительное, 9 как отрицательное возникает одновременно с ним и одно не может быть получено без другого» [4, 174]. Эпинусу принадлежит открытие явления индукции, которое подтверждает закон сохранения электрического заряда. Он также предполагал существование магнитной материи, частицы которой отталкиваются друг от друга и притягиваются частичками магнитных материалов. Эпинус развивает представления об электрических взаимодействиях. Он считал, что электрическая материя собирается внутри наэлектризованного тела. Взаимодействие же наэлектризованных тел объясняется силами, действующими между частицами электрической материи, обычной материи и взаимодействием частиц той и другой между собой. Точно так же представляет Эпинус магнитную силу. При этом силы взаимодействия являются центральными и дальнедействующими. Они, подобно силам тяготения, действуют на расстоянии. В своем главном сочинении «Опыт теории электричества и магнетизма», вышедшем в 1759 г., Эпинус, рассматривая вопрос о величине сил, действующих между электрическими зарядами и магнитами, высказывает предположение, что они, подобно силам тяготения, должны быть обратно пропорциональны квадрату расстояния. Важно то, что теория Эпинуса явилась началом развития одного из основных направлений физики электрических и магнитных явлений, основанного на принципе дальнодействия. Если у Франклина еще нет определенного представления о природе электрических сил, то Эпинус совершенно определенно высказывается за принцип дальнодействия для электрических и магнитных взаимодействий. 10 2 Возникновение и развитие электростатики 2.1 Установление закона Кулона Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме наступил тогда, когда начались исследования сил, действующих между наэлектризованными телами; при этом макроскопические явления в расчет не принимались. То есть новый этап связан непосредственно с установлением закона Кулона. Следует отметить, что у Кулона было много предшественников. Гипотезу о том, что сила взаимодействия между магнитами и электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, была высказана Эпинусом. Ранее (в 1750 г.) гипотезу о силах, действующих между магнитами, высказал Майчелл, Д. Бернулли (в 1760 г.). Фактически этот закон можно было установить уже из экспериментов Франклина. Джозеф Пристли (1733 - 1804), автор «Истории электричества» повторил опыты Бенджамина Франклина и высказал предположение: «Не следует ли из этого эксперимента, что сила притяжения электричества подчиняется тому же самому закону, что и тяготение, т. е. закону квадратов расстояния; так как показано, что если бы Земля имела форму скорлупы, то помешенное внутри ее тело не испытывало бы большего притяжения с одной стороны, нежели чем с другой». Интересно отметить, что предшественники Кулона нередко предполагали существование аналогии между силами электрического или магнитного происхождения и силами тяготения. В 70-х годах Генри Кавендиш (1731 - 1810) провел эксперимент, который имел цель установить закон взаимодействия между электрическими зарядами. Суть эксперимента в следующем: в полый металлический шар из двух половинок помещался другой шар, меньшего диаметра, покрытый фольгой, который был изолирован от внешнего шара. В маленькое отверстие, сделанное во внешнем шаре, вставлялась проволока, которая соединяла внутренний шар и металлические полушария, после чего полушария были 11 заряжены электричеством и убраны. После этого исследовалось, какой электрический заряд оставался на внутреннем шаре. Этот заряд оказался равным нулю. Из проведенного опыта Кавендиш сделал следующий вывод: «электрическое пропорциональны притяжение квадрату и отталкивание расстояния». должны Этот вывод быть обратно следовал из теоретических расчетов. Однако, открытие Кавендиша не стало достоянием науки в силу скрытности его характера. О том, что Кавендиш открыл закон взаимодействия электрических зарядов еще в 1771 г., становится известно после того, как Максвелл в 1879 г. опубликовал его работы. В 80-х годах французский военный инженер Шарль Огюстен Кулон (1796 - 1806) непосредственно измерил силы, действующие между электрическими зарядами. Долгое время он занимался исследованиями кручения нитей и установил соотношение с pl , rn где - угол закручивания, p – закручивающая сила, l – длина нити, r – ее радиус. Для своего опыта Кулон сконструировал крутильные весы. При этом он использовал открытый им ранее закон пропорциональности между углом закручивания упругой нити и моментом силы. Крутильные весы Кулона представляли собой стеклянный цилиндр со шкалой по окружности. В центральное отверстие была пропущена серебряная нить с прикрепленным к ней коромыслом из изолятора, шариком из бузины и противовесом. В боковое отверстие пропускался стержень с таким же точно шариком, но уже наэлектризованным. Не умея измерять величину заряда, Кулон в каждом эксперименте обеспечивал равенство взаимодействующих зарядов. Для этого шарики сначала приводились в соприкосновение, а затем разводились. При этом первоначальный заряд делился между ними поровну. Результаты опытов были опубликованы в семи мемуарах, которые вышли в 1782 – 1785 гг. В первом из своих мемуаров Кулон опубликовал экспериментально установленный им основной закон электростатики: сила взаимодействия электрических зарядов пропорциональна величине каждого из 12 них и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Через три года ученый распространил этот закон на взаимодействие точечных магнитных полюсов. Также Кулон исследовал вопрос о распределении зарядов по проводнику. Он показал, что весь заряд распределяется на поверхности. Рассматривая распределение электрического заряда по поверхности проводника, он на опыте показал, что «электрическая сила» (напряженность электрического поля) в каждой точке проводника пропорциональна плотности электрического заряда в этой точке. Открытие закона Кулона завершает длительный процесс становления электростатики. 2.2 Разработка математической теории электричества и магнетизма Развитие электростатики и магнетизма неразрывно связано с именами таких ученых как Пуассон, Грин, Гаусс. Семеон Дени Пуассон (1781 - 1840) вводит принцип, который дает возможность определять поверхностную плотность электрического заряда во всех точках поверхности проводника, если известна его форма, решает задачи о распределении заряда на поверхности проводящего эллипсоида, а также двух заряженных проводящих сфер. В 20-х годах Пуассон обратился к теории магнетизма. Развивая теорию магнетизма, Пуассон вводит понятие магнитного момента единицы объема, использует понятие потенциала. В 1828 г. Георг Грин (1793 - 1841) в работе «Исследование математической теории электричества и магнетизма» указывает, что, несмотря на успехи в развитии общей аналитической теории электричества и магнетизма, общий метод решения задач еще не выработан и что он ставит перед собой такую задачу. В основу аналитической теории электричества Грин положил принцип, согласно которому электрические силы можно определить через некоторую функцию координат, так что слагающие этих сил по координатным осям равны частным производным от этих функций по соответствующим 13 переменным, взятым с обратным знаком. Эта функция играет в теории Грина первостепенное значение. Он называет ее потенциальной функцией. Потенциальная функция определяется распределением зарядов. Ее значение в какой-либо точке равно сумме (или интегралу) всех элементарных зарядов, деленных на расстояние их до этой точки. Зная же значение потенциальной функции, можно простым дифференцированием найти значение электрических сил во всем пространстве. Более трудной является задача, когда, говоря современным языком, заданы форма и расположение проводников в пространстве, их общие заряды и требуется определить распределение зарядов на этих проводниках. Эту задачу исследует Грин и разрабатывает для ее решения аналитический аппарат. Грин получил ряд новых математических результатов, в том числе и так называемую формулу Грина. Важную роль в развитии аналитической теории электростатики и магнитостатики сыграли работы Гаусса (1777 - 1855). В 1839 г. было опубликовано его сочинение «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в котором разработана общая теория потенциала. Гаусс доказал и известную теорему, связывающую величину потока напряженности поля сил тяготения или электрического поля через поверхность с общей массой или зарядом, находящимся внутри этой поверхности. Эту теорему в настоящее время иногда называют теоремой Гаусса – Остроградского. 14 3 Возникновение и развитие электродинамики 3.1 Открытие гальванического элемента Первый этап развития учения об электричестве и магнетизме, охватывающий XVIII в., заключался в исследовании законов равновесия электрических зарядов и магнитов. Были установлены основные законы взаимодействия электрических зарядов и магнитов, а затем (в первой половине XIX в.) создан сооответствующий математический аппарат. В конце XVIII в. начали изучать электрический ток, его действия. Возникает и развивается новая область учения об электричестве и магнетизме, названная электродинамикой. Начало развития электродинамики связано с открытием первого источника постоянного тока, которое обязано исследованиям итальянского профессора медицины Луиджи Гальвани (1737 - 1798). В конце XVIII в., занимаясь физиологией и медициной, он интересовался физиологическим действием электрического тока и ролью электричества в процессах, происходящих в живом организме. В своих опытах Гальвани наблюдал сокращения мышц препарированной лягушки при прикосновении металлических предметов, когда вблизи в электрической машине проскакивали искры. Результаты многочисленных опытов наталкивают его на мысль о существовании «животного» электричества, которое вырабатывается организмом лягушки. При замыкании нерва и мускула лягушки проводником образуется замкнутая цепь, «животное» электричество свободно протекает по этой цепи и вызывает сокращение мышцы, играющих роль регистратора. Открытие Гальвани, опубликованная в 1791 г., вызвало большой интерес. Некоторые ученые повторили опыты Гальвани. Среди них был и Алессандро Вольта (1745 - 1827). Но Вольта подошел к объяснению наблюдаемого явления не как физиолог, а как физик. Вольта заметил, что сила сокращения мышц лягушки зависит от того, какие употребляются металлы, и что однородные металлы почти не оказывают действия. Он заключил, что 15 источником электричества является не организм лягушки: оно возникает в результате соприкосновения разнородных металлов, лягушка же играет роль регистрирующего прибора. Он выдвинул гипотезу, согласно которой металлические тела обладают свойством действовать на заключенный в них электрический «флюид», отталкивая или притягивая его. Поскольку каждый металл обладает определенной силой действия на электрический флюид, то соприкосновение различных металлов приводит его в движение, возникает электрический ток, который и действует на нервы и мышцы лягушки. Высказав эту гипотезу, Вольта предложил изменить название «животное» электричество на «металлическое» электричество. Вольта, обосновывая гипотезу «металлического электричества», шел по пути исключения из опыта живого организма. Он показал, что простое соприкосновение разнородных металлов приводит к их электризации. Это было открытие контактной разности потенциалов у металлов. Вольта расположил металлы в ряд, причем каждый стоящий справа металл при соприкосновении со стоящим слева электризовался отрицательно. При этом, как он полагал, «способность приводить в движение электрический флюид» для металла, расположенного не рядом, равна сумме «способностей» всех промежуточных пар металлов. Подобные исследования привели Вольта к изобретению первого гальванического элемента, получившего название вольтова столба. Об этом изобретении он сообщил в 1800 г. Ученый исследовал соединения различных тел и пришел к выводу, что контактная разность потенциалов имеет место только между металлами и некоторыми другими «сухими» проводниками; между «сухими» и «влажными» проводниками она не возникает. Первые проводники Вольта назвал проводниками первого класса, вторые — второго класса. Отсюда следует возможность получения непрерывного электрического тока (если привести два разнородных металла в соприкосновение и соединить их с помощью проводника второго класса). Первый гальванический элемент - Вольтов столб состоял из нескольких десятков наложенных друг на друга круглых пластинок из серебра и цинка или меди и олова, между которыми были проложены 16 картонные прокладки, пропитанные соленой водой. В отличие от лейденской банки действие столба непрерывно. Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия. В первые два десятилетия XIX в. были получены результаты в изучении химического, теплового и светового действий тока, а также первые результаты в установлении законов постоянного тока. Так, используя гальваническую батарею, русский физик и химик Василий Петрову (1761 - 1834) впервые наблюдал электрическую дугу. Изучая химическое, тепловое и другие действия тока, Петров сделал некоторые выводы, относящиеся к законам постоянного тока. Он считал, что проводники обладают различной проводимостью и что свойства проводника определяют вместе с особенностями самой батареи действие тока в цепи. При этом он подчеркивал, что чем больше сечение проводника, тем сильнее действие «Гальвани - Вольтовской жидкости». 3.2 Опыты Эрстеда. Установление закона Ампера В 1819 г. датский ученый Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. Открытие Эрстеда, опубликованное в 1820 г., заключалось в следующем: если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Эрстед отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от также, говоря современным языком, от силы тока. Полученный результат оказался неожиданным. Неожиданным был сам характер связи, а не факт ее существования. Уверенность в наличии связи между электрическими и магнитными явлениями была связана у ученого с его общими философскими взглядами на нообразие окружающих явлений, он полагал, что между ними имеются глубокие связи и единство. Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты. 17 Араго показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются. Французские физики Био и Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию. Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон Био - Савара. Также в 1820 г. был получен новый важный результат в области электромагнетизма французом Андре Мари Ампером (1775 - 1836). Ампер заинтересовался открытием Эрстеда. Оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. В кратком резюме своего первого доклада Ампер писал: «Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум общим фактам, я показал, что ток, существующий в вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительной проволоки. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки. Я описал приборы, которые предполагал соорудить и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты. Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своим свойствам единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси. Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям» [4, 276]. В последующих 10 докладах 1820 – 1821 годов Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Он показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов, демонстрировал взаимодействие 18 соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов. Свойства магнита Ампер объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов - взаимодействием этих токов. Сначала он считал эти токи макроскопическими, а несколько позже пришел к гипотезе молекулярных токов. Соответствующую точку зрения Ампер развивает и по вопросу о земном магнетизме, полагая, что внутри Земли протекают токи, которые обусловливают ее магнитное поле. Открыв взаимодействие токов, эквивалентность магнита и соленоида, выдвинув ряд гипотез, Ампер поставил перед собой задачу установить количественные законы этого взаимодействия. Ампер поступает следующим образом. На основании известных опытных данных он выдвигает гипотезу о том, что сила взаимодействия между элементами проводников с током такова: dF i1i2 ds1ds2 ,1, 2 , rn где i1 и i2 - сила токов, ds1 и ds2 - элементы проводников, r расстояние между элементами, n - некоторое (пока неизвестное) число, ,1,2 - еще не известная функция углов, определяющих взаимное расположение элементов проводников. В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов. Следует отметить, что он использовал понятие и термин «сила тока», а также понятие «напряжение», хотя и не приводил ясной и четкой формулировки этих понятий. Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике. 19 3.3 Установление законов постоянного тока Также важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Ом (1787 - 1854). Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь. Для силы тока Х в проводнике он записал соотношение: a X , l где - коэффициент проводимости проводника, - поперечное сечение, а l - длина проводника, a - электрическое напряжение на его концах. Также Ом исследовал распределение электрического потенциала «электроскопической силы» вдоль однородного проводника с током. Закон, открытый Омом и носящий его имя, далеко не сразу получил признание. Еще в 30-х годах по его поводу высказывали сомнения и отмечали ограниченность его применения. Однако в ряде работ различных физиков, применивших более совершенные методы измерения, выводы Ома были подтверждены и его закон получил всеобщее признание. При этом были также исправлены ошибочные представления Ома. Кирхгоф в работах, относящихся к 1845 - 1848 гг., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей. Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля - Ленца. 20 3.4 Открытие электромагнитной индукции Важнейшим открытием в области электродинамики стало открытие явления электромагнитной индукции. В 1824 г. Араго, в опытах с магнитной стрелкой обнаружил, что немагнитные вещества тормозят колебательное движение подвешенной магнитной стрелки. Затем он установил, что при вращении медной пластинки возле подвижного магнита последний стремится вращаться в том же направлении, и, наоборот, если вращать магнит, то пластинка в свою очередь стремится следовать за ним. Объяснить это явление смог Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции в 1831 г. Вообще взгляды Фарадея на материю, движение, на метод исследования в области физики были оригинальны. Он руководствовался идеей единства природы и всеобщей связи ее вещей и явлений. Конкретным воплощением этой идеи было его мнение о единстве и превращаемости «сил природы». Руководствуясь идеей о взаимопревращаемости сил, Фарадей в течение длительного периода работал над проблемой «превращения магнетизма в электричество», в результате чего он и пришел к открытию явления электромагнитной индукции. Уже в своих первых сообщениях Фарадей пытается представить теорию открытого им явления, основываясь на принципе близкодействия. Он высказывает предположение об особом состоянии, в котором находится материя вокруг магнита или проводника с током, называя это состояние «электротоническим», т. е. электровозбужденным. Это состояние обнаруживается в проводнике только в случае его изменения, в последнем возникают электрические индукционные токи. Если, например, проводник приближать или удалять от магнита, то при этом «электротоническое» состояние усиливается или ослабляется, «а такое изменение его сопровождается соответствующим появлением электричества». В случае же непроводников это состояние и его изменение не проявляются. В своих работах Фарадей некоторое время не упоминает об «электротоническом» состоянии, а разрабатывает более наглядную идею о силовых линиях. Однако в более позднее время он вновь возвращается к представлению об «электротоническом» состоянии и связывает его с 21 концепцией силовых линий. Постепенно у Фарадея складывается представление о силовых линиях электрического и магнитного полей как о чемто реальном. Сначала он говорит о магнитных силовых линиях лишь как об удобном средстве для наглядного представления распределения магнитных сил, действующих в пространстве вокруг магнита или тока. Наряду с этим он начинает использовать и понятия электрических силовых линий или линий индукции, которые также пока рассматривает как воображаемые. По мере продвижения вперед в изучении электрических и магнитных явлений, делая новые открытия, которые касались главным образом роли среды в этих явлениях, у Фарадея постепенно растет убеждение в их физической реальности, как линий, действительно представляющих структуру электрического и магнитного полей. Помимо открытия электромагнитной индукции с именем фарадея связан ряд других важных открытий. К ним относятся открытие явления вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и открытие диамагнетизма в 1845 г. Кроме этого, еще в 1832 г. году в своем письме в Королевское общество Фарадей выдвигает гипотезу об электромагнитной природе света. Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны и еще при жизни принесли огромный авторитет и славу автору. Однако основные теоретические представления Фарадея не были восприняты его современниками; первым обратил на них серьезное внимание Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля. Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 - 1865) - петербургским академиком - был сделан первый существенный шаг в направлении детального количественного изучения явления электромагнитной индукции. Ленц изучал, как зависит индукционный ток в проволочной катушке от ее параметров, используя баллистический гальванометр. При этом он получил ряд новых результатов. В частности, установил, что э.д.с, индуцируемая в катушке, пропорциональна числу витков и не зависит от их диаметра и т. д. 22 Самый важный результат, полученный Ленцем, - установление правила, или закона, носящего его имя. Фарадей, открыв явление электромагнитной индукции, в первых своих работах не привел общее правило для определения направления индукционного тока. Исследуя явление электромагнитной индукции, Ленц установил это правило. Сам ученый формулирует его так: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении» [4, 284]. Закон Ленца послужил одним из источников построения математической теории электромагнитной индукции. Впервые математическую теорию электромагнитной индукции начал разрабатывать Ф. Нейман (1798 1895) в работах, относящихся к 1845 - 1847 гг. При определении величины электродвижущейся силы индукционного тока Нейман использовал две основные гипотезы. Согласно первой гипотезе, которая следует из экспериментальных данных, полученных Фарадеем, электродвижущая сила индукции dφ, возникающая в элементе линейного проводника dl в результате его движения относительно контура с постоянным током i или магнита, пропорциональна скорости этого движения υ. Вторая гипотеза, возникшая под влиянием закона Ленца заключается в том, что электродвижущая сила индукции в проводнике пропорциональна проекции на направление его движения силы Fυdl (F - сила на единицу длины проводника), которая действует на него со стороны контура с током или магнита, когда по нему протекает индукционный ток, равный единице. Новые соображения по поводу закона электромагнитной индукции были высказаны в 1845 г. немецким ученым Фехнером, который объяснял явление электромагнитной индукции, исходя из представления о силах, действующих между движущимися зарядами. Он предполагал, что электрический ток есть одновременное движение по проводнику положительных и отрицательных электрических частиц в противоположных направлениях с одинаковыми по 23 абсолютной величине скоростями. При этом он считал, что электрические частицы взаимодействуют между собой по закону Кулона, только если они находятся в покое. Если же они движутся, то силы, действующие, между ними, иные, зависящие от скоростей и направления движения. Это следует, по его мнению, из закона Ампера, из которого можно определить и зависимость таких сил от скорости и направления движения. По Фехнеру, если два одноименных заряда движутся в одном направлении, сближаясь, то они должны притягиваться. Должны притягиваться и два разноименных заряда, если они движутся в противоположных направлениях. В противном случае действуют силы отталкивания. Идеи Фехнера были положены в основу теории электромагнитных явлений, развитой в 1846г. В. Вебером (1804 - 1891). Он также исходит из представления, что электрический ток представляет собой движение положительных и отрицательных электрических зарядов в противоположные стороны. Между зарядами действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния, а также от их относительной скорости и ускорений. Для того чтобы установить выражение для силы, действующей между электрическими зарядами, Вебер обращается к закону Ампера. Учитывая, что сила тока пропорциональна величине движущихся зарядов и их скорости, а также принимая во внимание закон Кулона, Вебер определяет, что сила, действующая между двумя электрическими зарядами e и e , такова: 2 2 ee 2 dr 2 d r F 2 1 a 2a r 2 r dt dt Здесь a - постоянная, r - расстояние между зарядами, а сила направлена по прямой, соединяющей заряды. Закон Вебера имел общий характер. Для случая неподвижных зарядов из этого закона непосредственно следовал закон Кулона. Из закона Вебера можно вывести закон Ампера. Также этот закон можно было использовать для количественной теории электромагнитной индукции, получив те же результаты, что и Нейман. Таким образом, теория Вебера объединила основные известные тогда законы электрических и магнитных явлений. Она являлась в 24 известном смысле вершиной в развитии домаксвелловской электродинамики (электродинамики, основанной на принципе дальнодействия). 3.5 Практическое применение открытий в области электродинамики Первое практическое применение открытия в электродинамике нашли в технике связи. В 30-е годы Шиллингом, в 1832 г. - Гауссом и в 1833 г. – Вебером была воплощена в жизнь идея ампера о возможности использования открытия Эрстеда для построения телеграфа. Телеграф Шиллинга был применен для связи между Зимним дворцом и зданием Министерства путей сообщения в Петербурге. Через год Гаусс и Вебер построили электромагнитный телеграф другой конструкции, соединявший астрономическую обсерваторию и физическую лабораторию в Геттингене. Американский физик Генри построил телеграф, который действовал на территории Принстонского университета. Для приема сигналов в нем использовался электромагнит, который при пропускании электрического тока притягивал специальный рычажок. Этим же принципом приема воспользовался Морзе, который после нескольких лет работы предложил в 1837 г. первую практически удачную конструкцию телеграфа. Первая половина XIX в. отмечается также первыми попытками практического применения электричества в качестве движущей силы. В 1822 г. англичанин Барлоу построил прототип электродвигателя - «звездное колесо». Прибор Барлоу состоял из звездообразного колеса, помещенного между полюсами магнита. Колесо вращалось при пропускании тока. Одновременно конструирования Прототип с появлением электромагнитных генератора электрического электродвигателя генераторов тока, возникает электрического основанного на электромагнитной индукции, был построен и описан Фарадеем задача тока. принципе вместе с первыми опытами по электричеству. 25 К успехам электродинамики XIX в. также следует отнести открытие термоэлектричества, которое было сделано немецким физиком Зеебеком в 1821 г. 3.6 Теория электромагнитного поля Максвелла Открытие Фарадея совершило революцию в науке и технике. Наступила эпоха, когда электромагнитная картина мира готова была сменить механическую. Для этого необходим был человек, который подобно Ньютону смог бы обобщить все имеющиеся на тот момент факты и на основе их создать новую теорию. Таким человеком стал Джеймс Клерк Максвелл. Максвелл придал идеям Фарадея строгую математическую форму, ввел термин «электромагнитное поле», сформулировал математические законы, описывающие это поле. Галилей и Ньютон заложили основы механической картины мира, Фарадей и Максвелл - электромагнитной. Еще в Кембриджском университете он заинтересовался электричеством и оптикой, много размышлял над опытами Фарадея. В работе «О фарадеевских силовых линиях», Максвелл широко пользуется гидродинамическими и механическими аналогиями, что позволило применить математический аппарат известного ирландского математика Гамильтона, и выразить таким образом электродинамические соотношения на математическом языке. В дальнейшем на смену гидродинамическим аналогиям приходят методы теории упругости: понятия деформации, давления, вихрей. Исходя из этого, Максвелл приходит к уравнениям поля, которые на этом этапе еще не приведены к единой системе. Дж. К. Максвелл приходит к ясному определению электромагнитного поля как вида материи, выражая все его проявления в виде системы 20 уравнений (впоследствии Оливер Хевисайд и Генрих Герц привели систему уравнений Максвелла к тому виду, который принят сейчас). Уравнения Максвелла - одно из величайших достижений не только физики, но и цивилизации вообще. Они сочетают в себе строгую логичность, характерную для естественных наук, с красотой и соразмерностью, которыми отличаются искусство и гуманитарные науки. Уравнения с максимально возможной 26 точностью отражают сущность природных явлений, они обладают свойствами, позволяющими предсказывать новые, неизвестные до сих пор, физические явления. Потенциал уравнений Максвелла далеко не исчерпан, на их основе проводятся объяснения новейших открытий в различных областях физики - от сверхпроводимости до астрофизики. Дж. К. Максвелл в своих физических воззрениях всегда был сторонником идей эфира - невесомой и невидимой электрической жидкости (среды), заполняющей всю Вселенную, которую можно принять за неподвижную систему отсчета. Максвеллу казалось, что, предлагая свои уравнения, он создает механику эфира. Так, например, уравнение для индукции электрического поля (в современных обозначениях, но так, как это написал Максвелл) имеет вид E A . t Дж. К. Максвелл считал это выражение аналогичным выражению для силы инерции в механике: E p , p m . t В современной форме, уравнение Максвелла можно записать как dA grad , dt B rotA , E B где - скалярный потенциал. Затем Дж. К. Максвелл записывает уравнение силы, действующей со стороны поля на единицу объема проводника: f jB . К нему он добавляет «уравнение намагничивания» B H 4 I и «уравнение электрических токов» (первое уравнение Максвелла) rotH Вектор электрического 4 1 D . j c c t смешения, связанный с напряженностью электрического поля, по Дж. К. Максвеллу, имеет вид 27 D E. 4 Затем ученый записывает закон Ома в дифференциальной форме j E , уравнение B H и граничное условие Dn1 Dn 2 . Такова система уравнений по Дж. К. Максвеллу. Нужно учесть также векторный характер ряда уравнений, которые у Максвелла записаны в трехмерной системе координат. Уравнения Максвелла позволяют сделать целый ряд важнейших выводов. Может быть, главный из них - существование поперечных электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью c . Уравнения Максвелла явились предтечей новой, неклассической, физики. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея, однако они инвариантны относительно преобразований Лоренца, которые, в свою очередь, лежат в основе новой релятивистской физики. При жизни Дж. К. Максвелла его теория не получила всеобщего признания, считаясь непонятной, математически нестрогой и т. п. Фактически ее признали лишь после опытов Г. Герца и П.Н.Лебедева. После Максвелла электродинамика стала принципиально иной. Основное направление развития - экспериментальное подтверждение основных положений теории. Решающую роль в победе теории Дж. К. Максвелла сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857 - 1894). Интерес Г. Герца к электродинамике был стимулирован Г. Л. Гельмгольцем, который, считая необходимым 28 «упорядочить» эту область физики, предложил Г. Герцу заняться процессами в незамкнутых электрических цепях. В 1827 г. Герц проводил опыты с антенной и детектором, которые носят название вибратор и резонатор Герца. Он обнаружил, что электрическая искра в вибраторе вызывала искру в резонаторе. Позже ученый обращает внимание на то, что ультрафиолетовое излучение, сопровождающее искру в разряднике генератора, облегчает электрический разряд в приемнике. Проводя эксперименты, Герц обнаружил, что на малых расстояниях характер распространения «электрической силы» аналогичен полю диполя, а далее она убывает медленнее и имеет угловую зависимость. А это в корне противоречит теории дальнодействия. После тщательного анализа результатов многочисленных экспериментов и собственных теоретических исследований Герц полностью принимает теорию Максвелла. Ученый приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Далее Генрих Герц стремится упростить систему уравнений Максвелла и сделать ее удобной для практического применения. Систему уравнений Максвелла в том виде, в котором мы ее знаем сейчас получил Герц. Он также дополнил учение Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально предсказанные теорией Дж. К. Максвелла электромагнитные волны и что не менее важно - доказал их тождество со светом. В 1889 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей Герц прочел доклад «О соотношении между светом и электричеством», где отметил огромную важность теории Максвелла, теперь уже подтвержденной опытами. Опыты Герца произвели фурор в научном мире. Их повторяли и усовершенствовали разные ученые. Так, Павел Николаевич Лебедев (1866 1912) получил самые короткие на тот момент электромагнитные волны и в 1895 г. проделал с ними опыты по двойному лучепреломлению. Но главной заслуга Лебедева является экспериментальное измерение предсказанного теорией Дж. К. Максвелла светового давления. 29 4. Признание электромагнитного поля как самостоятельной физической реальности И Фарадей, и Максвелл являлись сторонниками идеи эфира, развивая свои теории на основании представлений об эфире как о носителе электромагнитных волн и полей. Считалось, что эфир заполняет все мировое пространство и пронизывает все тела. Так как эфир представлял собой некую среду, то можно было рассчитывать обнаружить движение тел по отношению к этой среде. В частности, следовало ожидать существования «эфирного ветра» (движения Земли относительно эфира), обдувающего Землю при ее движении вокруг Солнца. В механике был установлен принцип относительности Галилея, согласно которому все инерциальные системы отсчета являются в механическом отношении равноправными. Обнаружение эфира сделало бы возможным выделение особенной (связанный с эфиром), абсолютной системы отсчета. Тогда движение остальных систем можно было бы рассматривать по отношению к этой абсолютной системе. Поэтому выяснение вопроса о взаимодействии мирового эфира с движущимися телами играло принципиальную роль. В конце XIX в. Майкельсоном, а позднее и Морли были предприняты попытки выполнения эксперимента целью которого являлось обнаружение «эфирного ветра». В 1881 г. в статье «Относительное движение Земли и светоносного эфира» Майкельсон объявил, что никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось. Объяснение этого результата пробовали дать ученые того времени по-разному. Герц объяснял опыт Майкельсона - Морли на основе теории увлекаемого эфира, однако эта теория не давала возможности объяснить других фактов: опыта Физо, аберрации, экспериментов Рентгена. Нужна была принципиально иная теория, основанная на новых идеях, которая описывала бы весь комплекс опытных фактов по электродинамике движущихся сред, имевшийся к тому времени. Такую теорию в 1892 г. предложил Генрих Антон Лоренц (1853 - 1928). Он высказывает гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения относительно эфира. Согласно этой гипотезе, размеры тел при 30 2 движении в эфире уменьшаются в направлении движения в 1/ 1 2 раз. с Позже, в 1904 году, ученый говорит о том, что не только размеры всех частиц, составляющих тела, при движении последних в эфире изменяются в направлении этого движения в 1/ 1 2 раз, но и все силы, которые действуют 2 с между частицами, образующими тело, также изменяются соответствующим образом. Исходя из этого, Лоренц показал, что никакие оптические или электромагнитные опыты не только первого, но и второго порядка относительно υ/с, произведенные в движущейся системе, не в состоянии обнаружить ее движение относительно эфира. Но в 1905 г. Альберт Эйнштейн ставит точку в вопросе о существовании эфира и трактовке опытов Майкельсона-Морли. В работе «К электродинамике движущихся сред», он говорит следующее: «...Неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно "светоносной среды" ведут к предположению, что не только в механике, но и в электродинамике никакие свойства явлений не соответствуют понятию абсолютного покоя, и даже, более того, к предположению, что для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы те же самые электродинамические и оптические законы, как это указано для величин первого порядка. Это предположение мы намерены превратить в предпосылку и сделать, кроме того, добавочное допущение, находящееся с первым лишь в кажущемся противоречии, а именно: что свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью , не зависящей от состояния движения излучающего тела. Эти две предпосылки достаточны для того, чтобы, положив в основу теорию Максвелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся тел. Введение "светоносного эфира" окажется при этом излишним» [2, 182]. Таким образом, взгляды Фарадея и Максвелла на электромагнитные колебания как на волны в эфире становятся несостоятельными, и всему научному сообществу приходится признать электромагнитное поле как самостоятельную физическую реальность. 31 Заключение Итак, с первыми явлениями в области электричества и магнетизма человечество сталкивается еще в древних государствах. Объяснение этих явлений было основано на мифологических представлениях и не носило научного характера. Постепенно, с развитием мореплавания возникают потребности в более детальном изучении магнитных явлений и к XVI веку начинаются систематические исследования в области электричества и магнетизма. Появляются гипотезы о Земном магнетизме, деление тел на электрические и неэлектрические. К XVIII веку опыты с электричеством становятся распространенным увлечением, и тогда же Франклином делается попытка обобщения многочисленных опытов по электричеству и создание унитарной теории. Мушенбрук изобретает лейденскую банку, которая позволила получить значительные электрические заряды и способствовала становлению нового раздела учения об электромагнитных явлениях. С началом исследования сил, действующих между заряженными телами, связано возникновение электростатики. Кулон выводит свой знаменитый закон, а Пуассон, Грин и Гаусс предлагают аналитическую теорию электростатики и магнитостатики. Изобретение гальванического элемента в конце XVIII века провоцирует новый прорыв в электромагнетизме. Начинается исследование электрического тока, его законов, и как следствие - становление нового раздела физики электродинамики. Открытия в области электродинамики произвели революцию в промышленности. Появились электромагнитные генераторы, электродвигатели, телеграф и радиосвязь. К XIX веку накопился огромный теоретический и практический материал, который нужно было соединить в единую теорию. Человеком, который сумел это сделать стал Максвелл. Именно Максвелл соединяет электрическое и магнитное поле в единое электромагнитное поле, которое является особым видом материи, а также создает математическое описание 32 электромагнетизма в виде системы уравнений, которые позволяют не только объяснять существующие явления, но и предсказывать новые, до сих пор неизвестные. Заключительный вклад в формирование самостоятельной физической реальности – электромагнитного поля – внес Альберт Эйнштейн, который полностью отверг господствующую теорию эфира. Также с 1917 г. Эйнштейн работал над единой теорией поля. Много лет ученый потратил на то, чтобы единым образом описать гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Однако его усилия не увенчались успехом. Но идея Эйнштейна была реализована спустя 30 лет после его смерти, когда в рамках единой теории удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия (Вайнберг, Глэшоу и Салам) и разработать основы для построения единой теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Следующий шаг науки – создание большого объединения – теоретической модели, которая исходит из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия. Проводится также работа, которая позволит включить сюда и гравитационное взаимодействие. Таким образом, учение об электромагнетизме прошло долгий путь от разрозненных фактов об электрических и магнитных свойствах отдельных тел до единой теории поля. 33 Список использованных источников 1. Азерников В. Физика. Великие открытия. – М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2000.-270 с.: ил. – (Популярная школьная энциклопедия). 2. Ильин В. А. История физики: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 272 с. 3. Савельев И. В. Курс общей физики. В 5-и кн.: Кн. 5-я: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2004. - 368 с.: ил. 4. Спасский Б. И. История физики. Ч. 1: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Высш. школа», 1977. - 320 с.: ил. 5. Спасский Б. И. История физики. Ч. 2: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Высш. школа», 1977. - 309 с.: ил. 34