Электромагнитные явления

Введение

Настоящий конспект лекций посвящен одному из разделов общего курса физики – разделу «Электромагнитные явления», который читается студентам тех специальностей и форм обучения, в учебных планах которых этот курс предусмотрен. В нем акцентируется внимание на то, что электромагнитные явления играют большую роль в технике и быту.

Учение об электромагнитных явлениях имеет свою историю, органически связанную с историей развития производительных сил общества и других областей естествознания. Истоки представлений об электромагнетизме уходят в Древнюю Грецию. Интерес к изучению магнитных явлений был мотивирован потребностями навигации. Известно, что в Китае пользовались магнитом для определения направления еще во II в. до н.э. Первое опытное исследование магнита было проведено во Франции П. Перегринусом (1269). Он установил наличие полюсов магнита, отталкивание одноименных и притяжение разноименных полюсов, ввел различие между естественными и искусственными магнитами, открыл факт неразделимости полюсов. В XY-XYI вв. в связи с оживлением мореплавания развивается компасное дело. В это время обнаруживается магнитное склонение и магнитное наклонение. Таким образом, к концу XYI в. накопился значительный опытный материал по магнетизму.

Первое наиболее полное по тому времени описание магнитных явлений было дано английским ученым В. Гильбертом в его книге «О магните» (1600). Гильберт был убежден в коренном отличии магнитных явлений от электрических явлений, которые он считал несущественными. В результате простейших опытов и наблюдений им была выдвинута первая научная гипотеза о том, что Земля представляет собой гигантский магнит. После Гильберта ряд естествоиспытателей продолжали исследование земного магнетизма.

Точка зрения Гильберта о несущественности электрических сил и о том, что между магнитными и электрическими силами нет никакой связи, просуществовала до 1820 года. В 1820 г. А. Эрстед открытием действия тока на магнитную стрелку положил начало новой главе в теории об электричестве – учению о магнитных свойствах тока, позволившему включить магнетизм в единую теорию электромагнитных явлений. Было установлено, что магнитное действие тока усиливается, если проводник свертывается в спираль. Это открыло возможность конструирования электромагнитных измерителей тока.

В начале второй половины XYIII в. Эпинус установил понятие о силовой линии как линии, «обладающей тем свойством что, в каком бы месте ее не находился центр магнитной стрелки, стрелка сама по себе расположится так, что совпадает с касательной к этой кривой».

Следует отметить большую работу Ампера по построению электродинамики, основанной на концепции дальнодействия (Ампер пользовался методом построения механики Ньютона). Предполагалось, что электрические и магнитные взаимодействия передаются мгновенно, через любые среды, заполняющие пространство между взаимодействующими телами. Эта теория в дальнейшем встретила ряд трудностей, разрешенных позднее электродинамикой Фарадея.

Фарадеем экспериментально было установлено, что электрические силы действую через среду, заполняющую пространство между взаимодействующими телами. Исследуя взаимодействие заряженных тел, Фарадей ввел понятие об электрических силовых линиях. Согласно Фарадею, не магнитный полюс действует на окружающие тела, а связанные с полюсом силовые линии. Этим самым Фарадей выдвигал идею теории близкодействия, согласно которой действие одних тел на другие передаются через окружающую среду с определенной скоростью. Кроме того, он высказал идею о магнитных и электрических полях – пространствах, где обнаруживается действие электрических сил. Фарадей полагал, что электрические и магнитные поля представляют деформированные состояния некоторой всепроникающей невесомой среды – эфира.

В конце 1820 г. Ж. Био и Ф. Савар представили Парижской академии свой мемуар о силе, действующей на тело магнита со стороны электрического тока прямого провода. Лаплас П. обобщил исследования Био и Савара на общий случай тока в проводнике произвольной форме. Так был установлен закон Био-Савара-Лапласа.

В этом же году А. Ампер установил закон, по которому определялась сила взаимодействия двух элементарных токов. Он пришел к выводу о том, что виток с током подобен плоскому магниту.

Опираясь на этот опытный факт, А. Ампер делает предположение об электрической природе магнетизма. Он предполагает, что «электрические токи… существуют вокруг частичек в железе, никеле и кобальте уже до намагничивания. Будучи, однако, направлены во всевозможные стороны, они не могут вызвать никакого результирующего внешнего действия, так как одни из них стремятся притянуть то, что другие отталкивают…». Так появилась в физике гипотеза молекулярных токов. Сущность этой гипотезы раскрылась только в XX в.

В 1831 г. Фарадей экспериментально устанавливает явление электромагнитной индукции, которое имеет большое значение в истории физики. Этим открытием Фарадей дал теоретическую основу многим техническим применениям электромагнетизма.

Исследования Э.Х. Ленца по электромагнитной индукции (правило Ленца) и установление закона для теплового действия тока (закон Джоуля-Ленца) способствовали дальнейшему практическому применению электричества.

В 60-х годах XIX в. Д. Максвелл обобщил учение Фарадея об электрических и магнитных полях и создал единую теорию электромагнитного поля. Теоретические основы этой теории представляют уравнения Максвелла.

Из теории Максвелла следует, что изменяющиеся магнитные и электрические поля распространяются с конечной скоростью. Вычисленная величина скорости распространения электромагнитных возмущений совпала с измеренной экспериментально (оптическим методом) величиной скорости света. Это позволило Максвеллу развить электромагнитную теорию света, о которой ранее в форме догадок высказывался Фарадей. Электромагнитная теория света заменила собой существовавшую оптику упругого эфира. В 1887 г. Г. Герц опытами по обнаружению электромагнитной волны экспериментально подтвердил теорию Максвелла.

Следует отметить большое значение работ ряда русских физиков конца XIX в. по экспериментальному обоснованию теории Максвелла. Среди такого рода исследований особо важное имели значение опыты П.Н. Лебедева по обнаружению и измерению давления света (1901).

На использовании электромагнитных волн было основано изобретение радио А.С. Поповым (1895). Теоретические и экспериментальные работы по исследованию электромагнитного поля в XX в. привели к учению о распространении радиоволн в земной атмосфере, к изобретению радиолокации, телевидения и ряда других важных практических приложений общей теории электромагнитных явлений. В XX в. получила развитие электронная теории. Заслуга создания электронной теории принадлежит главным образом голландскому физику Г.А. Лоренцу, который в труде «Теория электронов» (1909) органически связал максвелловскую теорию электромагнитного поля с электрическими свойствами вещества, рассматриваемого как совокупность элементарных электрических зарядов.

На базе электронных представлений в первой четверти XX в. была развита теория диэлектриков и магнетиков. В настоящее время развивается теория полупроводников. Исследование электрических явлений привело к созданию современной теории строения вещества. Успехи физики в этом направлении завершились открытием способов освобождения ядерной энергии.

Надо особо отметить, что во многих технических учениях об электричестве и магнетизме первенство принадлежит русским деятелям науки и техники. Так, например, русскими учеными и инженерами были изобретены и использованы для практики электродвигатели. Ими разработаны многие вопросы, представляющие не только большой теоретический интерес, но и имеющие огромное практическое значение. Сюда относятся вопросы физики магнетиков электромагнитных колебаний и радиоволн. В последнее время разрабатываются проблемы создания магнитогидродинамических источников электроэнергии – «топливных элементов». Ученые России играют ведущую роль в исследованиях, направленных на решение важнейшей научно-технической проблемы современности – проблемы создания управляемых термоядерных реакций путем использования магнитных и электромагнитных полей для термоизоляции и нагревания сильно ионизованного газа – плазмы.

За большой вклад в развитии мировой науки российским ученым – физикам И.Е. Тамму, И.М. Франку и П.А. Черенкову (1958), Л.Д. Ландау (1962), Н.Г. Басову и А.М. Прохорову (1964), П.Л. Капице (1978), Ж. И. Алферову (2000 г.), В.Л. Гинзбургу и А.А. Абрикосову (2003) присуждены Нобилевские премии.

Дата добавления: 2017-02-01