Электромагнитная теория. Опыты М. Фарадея и понятие о физическом поле

Лекция 3

Опыты М. Фарадея и понятие о физическом поле. Благодаря открытию Х.К. Эрстеда в 1820 г. стало известно, что движущиеся электрические тела (электрический ток) воздействуют на намагниченные предметы. Однако механистическим представлениям не соответствовало то, что сила их взаимодействия не направлена вдоль линии соединяющей тела и зависит от силы электрического тока. Это стимулировало интенсивные исследования электричества и магнетизма.

Создание электромагнитной теории во многом обусловлено работами английского исследователя Майкла Фарадея (1791–1867). Прежде всего, с его именем связано появление в физике понятия «силовая линия». Оно вводилось для наглядного представления о величине и направлении действия силы со стороны одного электрически заряженного тела на другое. Однако обнаружение того, что железные опилки выстраиваются вокруг электрического заряда или магнита в полном соответствии с мысленно проводимыми силовыми линиями, показало, что силовая линия – это не абстракция, а отражение чего-то реально существующего. М. Фарадей назвал эту обнаруженную и невидимую глазом реальность – «поле». Электрические заряды взаимодействуют с помощью электрического поля, а магниты – магнитного поля.

Появление в физике понятия «поле» положило конец теории дальнодействия. Теперь стало понятно, как одно массивное тело (например, Земля) узнаёт, где в данный момент находится другое тело (например, Солнце). «Информация» между физическими объектами передается с помощью физического поля.

Электромагнитная волна. Дальнейшие исследования показали, что только движущийся электрический заряд может воздействовать на магнит. Неподвижный заряд не оказывает на него никакого действия. Аналогично, движущийся магнит может приводить в движение электрический заряд. Так было открыто явление электромагнитной индукции. Таким образом, электрическое и магнитное поля являются частными случаями общего электромагнитного поля.

Движение электрического заряда приводит к тому, что в данной точке пространства электрическое поле изменяется. То есть переменное электрическое поле порождает магнитное поле, которое также является переменным и в свою очередь порождает переменное электрическое поле. Так образуется электромагнитное поле, а его распространение в пространстве происходит с помощью электромагнитной волны, характеризующейся некоторой скоростью с.

Опираясь на эти представления, английский учёный Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) в течение 1860–1865 гг. дал им строгое математическое описание и создал электромагнитную теорию. Её результатом стало объединение двух разделов физики – электричества и магнетизма – в один класс электромагнитных явлений. Это явилось ещё одним подтверждением тезиса, что мир устроен на единых физических законах.

Свет – электромагнитная волна. В рамках электромагнитной теории Дж. Максвелл рассчитал скорость распространения электромагнитной волны. Она составила величину с =299 792 458 м/с и оказалась очень близкой к скорости света v =298×10⁶ м/с, экспериментально измеренной в 1862 г. французским учёным Ж. Фуко (а также к другим величинам этой скорости, определённым ранее). На этом основании Дж. Максвелл заключил, что свет – это электромагнитная волна, что в дальнейшем было подтверждено опытами.

Научно-мировоззренческое значение электромагнитной теории заключается в следующем. Она соответствует базовым принципам механицизма; в её рамках расширяется физический смысл принципов причинности и непрерывности; объединены три различные области физики – оптика, электричество и магнетизм, что способствовало дальнейшему построению единой физической картины мира. Теория смогла ответить на ряд вопросов, которые не находили разрешения: отсутствуют «магнитные атомы» биполярной структуры, физическое поле заменяет теорию дальнодействия, свет – электромагнитная волна, поэтому нет бесконечного набора световых корпускул различного цвета.

В свою очередь её развитие сделало совершенно необходимым выяснение свойств эфира – среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Кроме того, было неясно, почему уравнения Максвелла неинвариантны (меняют свой вид) при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Это ставило под сомнение справедливость принципа относительности – одного из базовых принципов механицизма.

Характерные черты научного мировоззрения XIX века. Впечатляющие успехи, достигнутые наукой в объяснении природных явлений за исторически короткий срок (около двух столетий), были получены, опираясь на механистические представления, и при использовании вполне определённых методов познания. Эти представления составили основу мировоззренческих установок, с которыми в ХIХ веке зачастую ассоциировали учёного-естествоиспытателя. Наиболее важными из них являются следующие:

1) редукционизм – любое сложное явление можно объяснить, если свести его к совокупности простейших;

2) эволюционизм – сложные формы бытия образовались естественным образом из простых форм в ходе развития;

3) рационализм – всё в мире можно познать с помощью человеческого разума;

4) мир представляется большим механизмом.

Дата добавления: 2014-12-07