Теория электромагнетизма: Теория электромагнетизма Максвелла. История лазера

Содержание

Теория электромагнетизма Максвелла. История лазера

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления (электромагнетизм) в общей форме и из которых можно предсказать существование света. Электромагнитные волны получаются за счет колебаний в пространстве и во времени электрических и магнитных полей. Они распространяются с впечатляющей скоростью 300 000 км?с-1, т.е. с той же скоростью, с которой, согласно измерениям, сделанным уже в 1675 г. Рёмером и позднее с высокой точностью И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., распространяется свет. Максвелл предложил способ искусственного получения этих волн, и в 1887 г. Г. Герц (1857—1894) действительно смог получить электромагнитные волны с длиной волны порядка метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе с Ньютоном и Эйнштейном как один из трех величайших гениев физики.

Не случайно у Эйнштейна в его кабинете в Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился в Эдинбурге (Шотландия) в семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов в Шотландии и стал членом их семьи. Он построил дом вблизи Глейнэйра, куда семья переехала вскоре после рождения Джеймса. Когда ему исполнилось восемь лет, его мать (с которой он был очень близок) умерла, и он остался с любящим отцом, который так и не женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи и любил животных. У него было слабое здоровье, и он часто болел. Еще в школьные годы он заинтересовался математикой и геометрией. Его преподаватель в Эдинбургском университете профессор Джеймс Д. Форбс (1809—1868), который в течение многих лет был его наставником, представил в Эдинбургское Королевское общество одну из первых математических работ Максвелла 1846 г., касающуюся описания некоторых кривых. С 1847 по 1850 г. он учился в местном университете. В 1849 г. его профессор по математике Келланд представил в Эдинбургское Королевское общество еще одну его работу по кривым, а в 1850 г.

работу по равновесию упругих тел. В эти же годы Максвелл интересовался цветным зрением. Он в 1850 г. поступил в Кембриджский университет и в 1855 г. получил ученую степень. Здесь он стал членом престижного Клуба Апостолов и в нескольких выступлениях показал свою глубокую заинтересованность в этико-философских, религиозных, логических и методологических вопросах. При подготовке к экзаменам на степень он стал интересоваться электричеством и магнетизмом. В то же время он изучил рыбий глаз и, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р. К. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла в Кембридже не нашлось места, и он возвратился в Шотландию. С 1856 по 1860 г. он был профессором натуральной философии в Маришаль колледже Абердина. Эта должность хоть и не давала большого дохода, зато летние каникулы предоставляли массу свободного времени.

Максвелл мог проводить шесть месяцев в своем имении Глейнэйра. В это же время он женился. Один из его студентов в Абердине, Давид Гилл (1843—1914), который позднее стал пионером применения фотографии в астрономии и Королевским Астрономом, так описывает уроки Максвелла:

«В те дни профессор был немногим лучше школьного учителя, а Максвелл не был хорошим учителем. Лишь четверо или пятеро из нас в классе с семьюдесятью или с восьмьюдесятью учениками получали от него знания. Мы оставались с ним на пару часов после лекций, до тех пор, пока его ужасная жена не утаскивала его на скудный обед в 3 часа дня. Сам он был симпатичным и очаровательным — часто задумывающимся и внезапно пробуждающимся чтобы сказать, о чем он размышлял. Многое мы не могли понять в то время, но впоследствии вспоминали и осознавали».

Исследования стабильности колец Сатурна позволили ему в 1857 г. выиграть приз и утвердили его как одного из лучших математических физиков своего времени. Проанализировав эту проблему, он получил вывод, что кольца образованы многими частицами, что в настоящее время подтверждается более точными астрономическими наблюдениями.

С 1860 г. до 1865 г. он работал в Королевском колледже в Лондоне, где тщательно разрабатывал свои принципиальные работы, там же он встретился и часто общался с Майклом Фарадеем (1791—1867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

В 1865 г. почувствовав усталость, он на шесть лет уединился в своем доме в Гленлэре. Покидал он его только для коротких путешествий, одно из которых было в Италию в 1867 г. В Гленлэре, он закончил свою кинетическую теорию газов и написал свой знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. В отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Эйнштейн сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля», а Больцман вопрошал: «Разве это не Бог, кто написал эти символы?»

В 1871 г. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики в Кембридже и стал директором Кэвендишской лаборатории. Эта лаборатория была организована, в октябре 1870 г., когда герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории и обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем одного из родственников герцога, Генри Кэвендиша (1731—1810), который посвятил свою жизнь химии и экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая по организации лаборатории, находил время для своего труда, который он опубликовал двумя годами позднее (1873). Он умер в Кембридже 5 ноября 1879 г.

Благодаря ему, мы обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, а также термодинамики и кинетической теории газов, в которой он является одним из основателей наряду с Людвигом Больцманом (1844—1906) и Джошуа Виллардом Гиббсом (1839—1903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим из огромного числа атомов или молекул, которые свободно движутся в пространстве, соударяясь друг с другом и со стенками сосуда.

С помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил связь между температурой газа и скоростью его молекул, хотя соотношение, которое он нашел, было ошибочным. Это также исследовалось англичанином Джеймсом П. Джоулем (1818—1889) и немцами Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) и Людвигом Больцманом. Максвелл вывел из теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. Он получил выражения для давления, вязкости, диффузии и др. Он вывел теорему равнораспределения энергии, о которой мы будем говорить в дальнейшем. Максвелл рассматривал два возможных способа описания газа. Один основан на законах динамики и описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Это дает полное описание системы. Другой метод является статистическим по природе и не принимает во внимание знание поведения индивидуальной молекулы, а имеет дело с огромным числом молекул.
Система рассматривается, используя законы статистики. Это позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура и др.

Максвелл также интересовался теорией цветов, он развил и дополнил теорию физика и врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений в основных цветах, для которых в человеческом глазу имеются три вида соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, из которых можно получить все цвета, как красный, синий и зеленый, и указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием в глазу одного из трех рецепторов. Он указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, а затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. Он практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества в 1861 г., сделав фотографию закрученной в узел ткани с шотландским национальным рисунком. Эта была первая цветная фотография, полученная методом, который в существенных чертах используется и в наше время.

Однако теория электромагнитного поля — наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.

В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.

Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (1778—1829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 1813—1815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

В 1821 г. он, продолжая эксперименты датского физика Г. К. Эрстеда (1777—1851), показал, что магниты оказывают механическое действие на проводники, по которым протекает электрический ток. Позже он изучал явления электролиза, выраженные в законах, носящих его имя. В 1830— 1831 гг. он открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий — действие магнитного поля на поляризованный свет (эффект Фарадея) и диамагнетизм. В 1862 г. он пытался изучить действие магнитного поля на спектры света, пионерские исследования, которые позднее с успехом были выполнены П. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея и других исследователей, показав, что явления электрических и магнитных явлений тесно связаны, и в некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться в виде волны. Отсюда следует, что свет является волной такого вида. Электромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл и его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения на основе механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические и магнитные поля являются реальностью.

Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения

Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира и замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию и интерференцию, а также другие явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается в свойствах волны. Белый свет есть ни что иное, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (рис. 6), т.е. расстоянием между двумя соседними пиками волны. В видимой области эта длина волны обычно измеряется в ангстремах (один ангстрем или А° равен 10-8 см) и видимая область простирается от ~3800 А° (фиолетовый свет) до 7000 А° (красный свет). Число пиков волны, проходящих в секунду через заданную точку, является частотой волны и измеряется в герцах (Гц). Произведение длины волны и частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет в вакууме длину волны 5500 А°, распространяется со скоростью 300000 км с-1 и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Излучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, а справа — соответствующие длины волны

Стрэттон, Джулиус Адамс — Теория электромагнетизма [Текст]


Поиск по определенным полям

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

author:иванов

Можно искать по нескольким полям одновременно:

author:иванов title:исследование

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND.
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

author:иванов title:разработка

оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

author:иванов OR title:разработка

оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

author:иванов NOT title:разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак «доллар»:

$исследование $развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

«исследование и разработка«

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку «#» перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

#исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

author:(иванов OR петров) title:(исследование OR разработка)

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду «~» в конце слова из фразы. 4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения — положительное вещественное число.
Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO.
Будет произведена лексикографическая сортировка.

author:[Иванов TO Петров]

Будут возвращены результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, Иванов и Петров будут включены в результат.

author:{Иванов TO Петров}

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.

Изящество электромагнетизма в новой форме — Энергетика и промышленность России — № 20 (184) октябрь 2011 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 20 (184) октябрь 2011 года

На эту тему готов поспорить технический директор ООО «Волга Трансфо» (Чебоксары), д. т. н. Владимир Казаков. Он предлагает технологию, которая вполне может перевернуть если не весь мир, то сферы трансформаторостроения – точно. По словам господина Казакова, любые прикладные научные работы возможны только при наличии новой фундаментальной школы.

– Теория пока нова, и думаю, что через десятки лет в мире появятся научные прикладные работы в нашем направлении, а пока приятно быть пионерами, – сказал Владимир Викторович.

– В чем суть трансформатора нового поколения?

– Это конструктивное решение электромагнитных трансформаторов, одно из практических воплощений нашей фундаментальной работы «Метод индивидуального рассмотрения поля движущихся электрически заряженных частиц». Благодаря этой теории стало понятно поведение магнитных потоков в электромагнитных устройствах, объясняющее ранее непонятные явления, например взаимодействие параллельных потоков, ответственное за гигантские магниторезистивности в ферромагнитных проводниках.

Одиннадцать новых явлений использовано в новых трансформаторах типа MTS. Благодаря этому размеры и вес нового трансформатора по сравнению с лучшими аналогами снижены более чем в два раза. В отличие от обычных трансформаторов, новые трансформаторы не имеют бросков тока намагничивания сердечника, то есть более надежны, фазносимметричны, имеют высокую линейность характеристик. Естественная конструкция выводов обеспечивает слабое поперечное подмагничивание, то есть уменьшение гистерезиса сердечника, конструкция фольговых обмоток обеспечивает компенсацию эффекта Холла, то есть снижает межобмоточные наводки, новый эффект продольной гигантской отрицательной магниторезистивности уменьшает потери в обмотках, контейнерная конструкция изоляции обмоток обеспечивает высокоэффективное охлаждение и электрическую прочность.

Разные исполнения новых трансформаторов могут применяться в качестве измерительных трансформаторов тока и напряжения, силовых трансформаторов разных частот, напряжений и мощностей в электронике, электротехнике и электроэнергетике. Благодаря превосходящим характеристикам новых трансформаторов существенно улучшаются характеристики устройств с их использованием. Более компактными и надежными становятся источники питания компьютеров и ноутбуков, вместо масляных трансформаторов становится возможным применение новых сухих недорогих трансформаторов. Коммерчески привлекательно применение в сетях электротранспорта и электролизеров алюминиевой промышленности.

– Откуда возникла идея трансформатора, какие результаты прошлых разработок вы использовали в создании нового продукта?

– Когда у меня в 2004 году возникла эта идея, она была поддержана моим учителем Геннадием Александровичем Немцевым и моим сыном Олегом. Они помогли развеять мои классические сомнения экспериментами, например, были проведены точные калориметрические сравнительные исследования новых и классических трансформаторов. С этого момента мы приступили также и к теоретической работе, так как в новом изделии выявилось целое семейство новых эффектов, необъяснимых с точки зрения устаревшей теории электромагнетизма. Основная трудность была в рыночной дороговизне и низком качестве электролитического железа, которое используется взамен электротехнических сталей. Пришлось создать новую технологию для производства этого материала для наших трансформаторов. Фундаментальная теория неожиданно получилась легкой и изящной, из нее как частные случаи этой общей теории исходят известные уравнения, например уравнения Максвелла и т. д.

– Известно, что данный трансформатор входит в список двенадцати открытий в сфере электромагнетизма. Какова суть остальных одиннадцати ваших проектов?

– Новые законы и явления постепенно, но успешно публикуем, в том числе отражаем докладами на международных конференциях. Все они взаимосвязаны тематикой. Одиннадцатая и двенадцатая работы касаются спинтроники и диаграмм излучения спин-поляризованными электрическими токами, с вычислениями коэффициентов Лоренца в электромагнетизме и униполярными источниками электрических зарядов. Все наши работы патентуются, и по мере получения европатентов и появления товарной продукции с ними можно будет ознакомиться.

– Говорят, ваша технология была оценена президентом Дмитрием Медведевым. По слухам, глава государства высказал готовность профинансировать серийный выпуск такой продукции. Так ли это? И когда начнется производство новых трансформаторов в России?

– Первый раз об этом слышу. Мы не привыкли привлекать правительство к нашим вопросам, поскольку нами решено, что мы никогда не будем иметь проблем с рэкетом со стороны чиновников из региональных властей. Не дело властей заниматься промышленностью, они должны заниматься правильными законами, чтобы промышленность не только могла еле‑еле полувыживать, но и как‑то создаваться и развиваться. Смотрите прекрасную историю, например, о налоговых и других законах при Вильгельме в Германии. Я вел несколько лет научно-промышленный бизнес в Германии и прекрасно знаю отличия, сравнивая свой былой производственный российский бизнес. Я думаю многие бывшие местные чиновники, создавшие сегодня свой «ларечный» бизнес на ворованном имуществе (мои бывшие производственные предприятия «Бэла», «Аудиокристалл», «Сиэсс Электроникс») со стыдом, если способны, подтвердят это.

Поэтому, кроме опытной партии, ничего никогда выпускать в России не планируем. Такой возможности я не вижу. При коррумпированной экономике сии потуги бесполезны. Мои заводы будут только в цивилизованных странах.

– Как ваши зарубежные коллеги оценивают технологию? Не высказывались ли предложения о покупке лицензии для выпуска трансформаторов за рубежом?

– Ученый мир воспринимает работы с большим интересом. Несколько патентов и лицензий на право производства в стадии продажи, остальное сохраняем у себя. Я думаю, что после выхода новой продукции на мировой рынок можно будет судить о ее достоинствах.

Сейчас мы занимаемся только технологией, отработкой и испытаниями. К сожалению, говорить о будущем очень сложно, и мы ничего не планируем. Все должно идти чередом. Неосуществление одних событий не дает возможностей для появления других. Чудес не бывает. Нас это устраивает вполне.

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция — Энергетика: история, настоящее и будущее

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция

Как правило, начиная со времен Гильберта ученые стали выводить законы природы из своих экспериментов. Так как никакой связи между магнитом и заряженным проводником не замечалось, то долгое время считалось, что никакой связи между электрическими и магнитными явлениями не существует. Поэтому, когда в 1802 году итальянский физик Джованни Романьози (1761–1835) заметил, что находящаяся вблизи проводника, по которому течет ток, магнитная стрелка изменяет свое направление, то он совершенно не оценил значения своего наблюдения.

В 1883 году в Вене проводилась электрическая выставка. На ней датчане выставили маленький компас. Незаметная вещь лежала в стороне от основного потока посетителей. А по справедливости следовало бы этот компас поместить в центр выставки, так как от него берет свое начало вся электротехника.

Вторично в начале 1820 года первооткрыватель электромагнетизма датский физик Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле.

На одной из своих лекций по физике он решил продемонстрировать студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из слушателей, Эрстед был совершенно ошарашен, увидев, как магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Эрстед сумел отказаться от своих прежних воззрений (и это является его большой заслугой) и случайное наблюдение принять за экспериментально установленный факт.

Соединив длинным проводом полюсы гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно подвешенной свободно магнитной стрелке. Как только включали ток, стрелка немедленно отклонялась, стремясь стать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону (рис. 6.5, 6.6). Своими опытами Эрстед доказал, что ток производит в окружающем его пространстве маг- нитное действие. Результаты исследования Эрстед изложил в своем знаменитом мемуаре «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку». В этой работе «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) известен своими трудами по электричеству, акустике, молекулярной физике. Поступив в Копенгагенский университет, он изучает медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. В 1806 году становится профессором Копенгагенского университета. 

Эта небольшая, всего в пять страниц, работа Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской академии наук Араго, который по возвращении на заседании академии показал опыт Эрстеда, где его впервые увидел Андре Ампер. До конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное «магнетизмом вращения», долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Позднее оно послужило основой многих практических изобретений и, в частности, электродвигателя переменного тока.

Открытие взаимодействия между током и магнитом было важным шагом на пути утверждения идеи единства сил природы и стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента. Ведь по отклонению магнитной стрелки можно было судить о силе проходящего вблизи нее электрического тока.

Сообщение Эрстеда поразило его современников. Каждый, кто имел в своем распоряжении компас и простейший источник тока, стремился собственными глазами увидеть загадочное отклонение магнитной стрелки. В августе 1820 года еще относительно молодой и не вполне опытный, но ставший впоследствии великим, английский физик Майкл Фарадей повторил эти опыты, убедившись, что Эрстед прав: протекание тока в проводе неизбежно вызывало отклонение размещенной поблизости магнитной стрелки. Но правильно истолковать результаты опытов Эрстеда было суждено не Фарадею, а французскому физику Андре Амперу, узнавшему об опытах Эрстеда на месяц позже Фарадея. Этот «докучливый умник Ампер» опередил всех, создав всего за две недели свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества.

Рис. 6.5. Эрстед демонстрирует отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока (по рисунку Р.Шторха)

Рис. 6.6. Отклонение магнитной стрелки под действием тока

В том же 1820 году Ампер выступает с сообщением о новом явлении – взаимодействии двух проводников, по которым течет ток, и устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера). В этом сообщении ученый делает вывод, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.

В течение очень короткого времени он выполнил ряд важных исследований, блестяще подтверждавших его мысли. Позднее все полученные результаты были систематизированы Ампером в его книге «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», опубликованной в 1826 году.

Андре Мари Ампер (1775–1836) Проводя детство и отрочество в поместье своего отца, Ампер основательно изучил все 20 томов энциклопедического словаря, издававшегося Д’Аламбером и Дидро. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики – дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию! Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток» и даже… «кибернетика».

Ампер не только догадался, что при изучении магнитного взаимодействия нужно прежде всего исследовать взаимодействие электрических токов, но сам тут же занялся экспериментальными исследованиями этого взаимодействия. В частности, Ампер экспериментально установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током (сила Ампера), пропорциональна длине проводника, величине тока, проходящего по нему, и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки, в соответствии с которым необходимо расположить левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входил бы в ладонь перпендикулярно. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом в плоскости ладони, будет указывать направление вектора силы Ампера.

Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током. «Всякий проводник с током, – писал Ампер, – создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого образуют круги, концентричные относительно средней линии проводника и лежащие в плоскостях, нормальных к элементам проводника». Магнитное действие электрического тока еще более усиливается, когда проводящая проволока скручена в несколько параллельных колец, изолированных друг от друга. Такую форму проводника Ампер предложил назвать соленоидом.

Соленоид Ампера (рис. 6.7) представляет собой полное подобие магнита. Поместив его концы S 1 и S 2 в сосуды с ртутью таким образом, чтобы весь соленоид мог свободно вращаться вокруг вертикальной

оси, проходящей через S 1 и S 2, и, пропустив через него ток, Ампер установил, что он, как обыкновенный магнит, установится по осевому направлению в плоскости магнитного меридиана. Если приблизить к соленоиду магнит, то одним концом соленоид будет к нему притягиваться, а от другого отталкиваться, причем направление притягивания и отталкивания зависит от направления тока в соленоиде.

 

Рис. 6.9. Электромагнит

Рис. 6.7. Соленоид Ампера

Рис. 6.8. Соленоид с железнім сердечником

Установленное Ампером соотношение между током и магнитом навело его на мысль искать причину магнетизма в возникновении молекулярных гальванических токов, обтекающих каждую частицу магнитного тела. Металлический стержень, будучи помещен внутрь спирально скрученной изолированной проволоки (рис. 6.8), значительно увеличивает действие последней на магнит или на другой проводник с током. Сам стержень при этом также намагничивается, образуя южный и северный полюсы. По правилу, установленному Ампером, северный полюс образуется на том конце стержня, который будет слева у наблюдателя, перемещающегося по направлению тока и обращенного лицом к магнитному стержню. Следуя этому правилу, можно определить, что у стержня на рис. 6.8 южный полюс будет находится слева, а северный – справа.

Экспериментируя с различными материалами, Ампер установил, что мягкое железо теряет весь магнетизм сразу после прекращения тока, а сталь, наоборот, сохраняет магнитные свойства долгое время после прекращения тока. Еще лучший

эффект достигается с использованием электромагнитов – железных стержней, окруженных проволочной спиральной обмоткой, по которой пропускается электрический ток (рис. 6.9).

Пока продолжается циркуляция тока, им можно пользоваться как обыкновенным магнитом. При этом ток должен быть пропущен в направлении, указанном стрелками. Сила магнита возрастает с увеличением числа витков обмотки и величины протекающего по ней тока. На рис. 6.10 представлен один из образцов промышленных электромагнитов, представляющих собой два вертикальных железных цилиндрических сердечника, укрепленных на горизонтальном железном основании. Каждый из сердечников окружен тремя обмотками с отдельными выводами, благодаря которым можно применять последовательное, параллельное или смешанное соединение обмоток.

Рис. 6.10. Промышленный электромагнит

Явление электромагнетизма было совершенно новой областью, которой начали заниматься физики-исследователи. Наиболее выдающиеся открытия в этой области выпали на долю знаменитого английского физика Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей (1791–1867) «Сын кузнеца, подмастерье переплетчика в своей ранней юности, – писал о Фарадее известный русский физик А.Г. Столетов, – Фарадей кончил жизнь членом всех ученых обществ, бесспорно признанным главой физиков своего времени. Никогда со времен Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».

В 1831 году на лекции в Королевском институте английский физик Майкл Фарадей объясняет открытое им явление электромагнитной индукции. Ученый ясно представляет практическую значимость своего открытия. На вопрос будущего премьер-министра Гладстона, присутствовавшего при объяснении, «Какая же в конце концов от всего этого польза?» Фарадей с достоинством ответил: «Сэр, не лишено возможности, что ещё при моей жизни из всего этого вы будете извлекать налоги». Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных сегодня. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить еще на 9 лет раньше. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы! Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика…

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло и, наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставил перед собой и Ампер в Париже, но он вскоре решил, что задача безнадежна.

Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат – через 11 лет после опытов Эрстеда. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в отдельную комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания железного сердечника в катушку, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, перейдя в соседнюю комнату, убеждался в том, что «никакого эффекта нет». Фарадей же работал с ассистентом. Можно снова и снова повторять: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!».

Исследования Ампера доказали, что катушка, по которой шел ток от гальванической батареи, обладает свойствами магнита. И Фарадей понял, что задача «превратить в электричество магнетизм» уже решена. Он взял железное кольцо, обмотал его в двух местах медной проволокой, изолированной от кольца, одну обмотку включил в цепь с гальваническим источником, а другую соединил с гальванометром. В момент, когда он пускал ток по одной обмотке, магнитная стрелка гальванометра внезапно отклонялась. Значит, в соединенной с ним обмотке проходил в этот момент ток. Фарадею удалось даже впервые получить искру индукционного тока, сблизив концы проволоки разомкнутой обмотки.

В результате опытов Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике под действием электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила (э. д.с.), вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Он первым ввел представление о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле как физическую реальность. Наведенная э.д.с. меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведенная э.д.с. прямо пропорциональна скорости движения проводника и количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Таким образом, опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в постоянном магнитном поле. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Правильно поняв открытое им явление, Фарадей поставил другой решающий опыт. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к периферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску в центре и на окружности, ток отводился во внешнюю цепь. Так Фарадей осуществил «превращение магнетизма в электричество».

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению закона о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832 г. русским академиком Э.Х. Ленцем. Он давал возможность предсказывать направление наведенного тока и, кроме того, позволил Ленцу установить важный для электротехники принцип – обратимость генераторного и двигательного режимов электрической машины.

Исследования М. Фарадея и работы Э. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен современный генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока и активно используется человечеством в настоящее время.

Генераторы электрического тока на заводе, расположенном в маленьком городе Йолотан, в современном Туркменестане на реке Мургаб. На турбинах видны метки, указывающие на то, что они были произведены в Венгрии (из наследия Сергея Михайловича Прокудина-Горского, ок.1907–1915. Цифровое цветное изображение. Отдел эстампов и фотографий, библиотека Конгресса США).

Электромагнетизм — Специальная теория относительности

Развитие электромагнитный технология

Электромагнитная технология началась с открытия индукции Фарадеем в 1831 году ( см. Выше ). Его демонстрация того, что изменяющееся магнитное поле индуцируетэлектрический ток в соседней цепи показал, что механическоеэнергия может быть преобразована в электрическую. Это заложило основу дляпроизводство электроэнергии, что непосредственно привело к изобретениюдинамо-машина и электродвигатель. Открытие Фарадея также оказалось решающим для систем освещения и отопления.

Ранний электрический В промышленности преобладала проблема производства электроэнергии в больших масштабах. Через год после открытия Фарадея в Париже был продемонстрирован небольшой ручной генератор, в котором магнит вращался вокруг катушек . В 1833 году появилась английская модель, в которой использовалась современная схема вращения катушек в поле неподвижного магнита. К 1850 году генераторы коммерчески производились в нескольких странах. Постоянные магниты использовались для создания магнитного поля в генераторах до тех пор, пока не возник принципсамовозбуждающийся генератор был открыт в 1866 году (самовозбуждающийся генератор имеет более сильные магнитные поля, потому что он использует электромагниты, питаемые от самого генератора). Зеноб Теофиль Грамм , бельгийский производитель, построил первый практический генератор, способный производить постоянный ток. Вскоре было обнаружено, что магнитное поле более эффективно, если обмотки катушки вставлены в пазы вращающегося стального якоря. Вщелевой якорь, который используется до сих пор, был изобретен в 1880 году шведским инженером. Йонас Венстрём. Открытие Фарадеем в 1831 году принципа переменного тока (AC)Трансформатор не находил практического применения до конца 1880-х годов, когда горячие споры о достоинствах систем постоянного и переменного тока для передачи энергии были решены в пользу последних.

Поначалу единственное серьезное соображение электроэнергия быладуговое освещение , при котором яркий свет излучается электрической искрой между двумя электродами . Однако дуговая лампа была слишком мощной для домашнего использования, поэтому ее можно было использовать только в крупных установках, таких как маяки , вокзалы и универмаги. Коммерческая разработка лампы накаливанияЛампа накаливания , впервые изобретенная в 1840-х годах, откладывалась до тех пор, пока не удалось создать нить, которая нагревалась бы до накала без плавления, и пока не удалось построить удовлетворительную вакуумную лампу . Вртутный насос, изобретенный в 1865 г., обеспечивал соответствующий вакуум и удовлетворительную Углеродная нить была разработана независимо английским физиком сэром Джозефом Уилсоном Своном и американским изобретателем.Томас Эдисон в конце 1870-х годов. К 1880 году оба подали заявки на патенты на свои лампы накаливания, и последовавший судебный процесс между двумя мужчинами был разрешен путем создания совместной компании в 1883 году. Благодаря лампам накаливания к 1900 году электрическое освещение стало общепринятой частью городской жизни. Ввольфрам лампа накаливания, введенная во начале 1900 — х, была длинной основной формой электрической лампы, хотя она была вытеснена более эффективным флуоресцентным газом разрядом лампы и светоизлучающие диоды ( светодиоды ).

Электричество приобрело новое значение с развитием электродвигатель . Эта машина, преобразующая электрическую энергию в механическую , стала неотъемлемым компонентом широкого ассортимента устройств, от кухонной и офисной техники до промышленных роботов и скоростных транспортных средств. Хотя принцип работы электродвигателя был разработанФарадея в 1821 году, до 1873 года не производилось ни одного коммерчески значимого агрегата. Фактически, это первый важный двигатель переменного тока, построенный сербско-американским изобретателем.Никола Тесла не демонстрировался в Соединенных Штатах до 1888 года. Тесла начал производить свои двигатели в сотрудничестве с Westinghouse Electric Company через несколько лет после того, как двигатели постоянного тока были установлены в поездах в Германии и Ирландии . К концу XIX века электродвигатель приобрел узнаваемый современный вид. Последующие улучшения редко включали в себя радикально новые идеи. Однако внедрение более совершенных конструкций и новых подшипников, якоря , магнитных и контактных материалов привело к производству меньших, более дешевых, более эффективных и надежных двигателей.

Современный Индустрия связи — один из самых впечатляющих продуктов электроэнергетики .Телеграфные системы, использующие провода и простые электрохимические или электромеханические приемники, получили распространение в Западной Европе и США в течение 1840-х годов. Действующий кабель был проложен под Ла-Маншем в 1865 году, а пара трансатлантических кабелей была успешно проложена год спустя. К 1872 году почти все крупные города мира были связаны телеграфом.

трансатлантический телеграфный кабель

HMS Agamemnon в 1858 году прокладывает первый трансатлантический телеграфный кабель, когда кит пересекает линию, литография с рисунка Дж. Дадли, 1865 год.

The Atlantic Telegraph, автор WH Russell, 1865. Электронная книга 40948 / Project Gutenberg

Александр Грэм Белл запатентовал первый практическийтелефонной связи в Соединенных Штатах в 1876 году, и первые общественные телефонные службы начали действовать в течение нескольких лет. В 1895 г. британский физикСэр Эрнест Резерфорд продвигал научные исследования Герца радиоволн и передаваемых радиосигналов на расстояние более одного километра.Гульельмо Маркони , итальянский физик и изобретатель, установленная беспроводная связь по всей Атлантике с использованием радиоволн приблизительно 300- до 3000-метровой длины волны в 1901 году. Радиопередачи были установлены в 20-е годы прошлого века.

Белл, Александр Грэм: телефон

Александр Грэм Белл подал заявку на патент на свой телефон в Патентном ведомстве США 14 февраля 1876 года, за два часа до объявления Элишой Грея конкурирующего устройства. Телефон Белла находится на столе справа.

Photos.com/Thinkstock

Телефонная передача с помощью радиоволн , электрическая запись и воспроизведение звука и телевидение стали возможными благодаря развитию технологииламповый триод . Эта трехэлектродная трубка, изобретенная американским инженером.Ли де Форест впервые разрешил усиление электрических сигналов. Известный какAudion , это устройство сыграло решающую роль в раннем развитииэлектронная промышленность.

Первая передача телефонная через радиосигналы была сделана из Арлингтона , штат Вирджиния , на Эйфелеву башню в Париже в 1915 году, а коммерческое радио телефонная связь между Нью — Йорком и Лондоном , была начата в 1927 году Помимо таких усилий, большинство крупного развития работы этого периода был связан с индустрией развлечений для радио и фонографов, а также с индустрией звукового кино . Был достигнут быстрый прогресс в передачедвижущиеся картинки , особенно в Великобритании ; незадолго до Второй мировой войны КНИГИБританская радиовещательная корпорация открыла первую службу общественного телевидения . Сегодня многие области электромагнитного спектра используются для связи, в том числе микроволны в диапазоне частот приблизительно 7 × 10 9 Гц для спутниковых линий связи и инфракрасный свет с частотой около 3 × 10 14 Гц для систем оптоволоконной связи.

До 1939 года электронная промышленность была почти полностью связана с коммуникациями и радиовещанием. Ученые и инженеры из Великобритании , Германии , Франции и США начали исследованияОднако в 1930-е годы радиолокационные системы, способные обнаруживать самолеты и управлять зенитным огнем, положили начало новому направлению в электронике. Во время Второй мировой войны и после нее электронная промышленность шла вперед, уступая только химической промышленности . Телевидение стало обычным явлением, и появилось множество новых устройств и систем, в первую очередь электронно-цифровой компьютер .

Электронная революция второй половины 20-го века стала возможной в значительной степени благодаря изобретению транзистора (1947 г.) и таким последующим разработкам, как интегральная схема . (Подробное описание этих и других важных достижений см . В разделе « Электроника» .) Эта миниатюризация и интеграция элементов схемы привели к значительному уменьшению размера и стоимости электронного оборудования и столь же впечатляющему увеличению его надежности.

Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879)

Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла, описывающим электромагнитное поле.

  • Гениальное дедуктивное мышление, способное формулировать великие теории с математической стройностью

    Родился в Эдинбурге в семье среднего класса. Учился в университете в своем родном городе, а затем в Тринити-Колледже в Кембридже. Уже в 25 лет начал преподавать физику в Маришальском колледже в Абердине. В 1861 году в возрасте 30 лет был принят в Королевское общество. Был также преподавателем в Королевском колледже в Лондоне и в Кембриджском университете, где основал престижную Кавендишскую лабораторию, которой руководил до конца своих дней.

  • Изучение работ Фарадея имело решающее значение для развития теорий Максвелла. В сущности Максвелл понял, что электрическая сила и магнитная сила не существуют независимо, а действуют в тесной взаимосвязи. Он также пришел к выводу, что их постоянные, в свою очередь, также взаимосвязаны. Разделив электрическую постоянную на магнитную — величины, которые, в принципе, не имели никакого отношения к свету — он обнаружил нечто удивительное: в результате получилась именно скорость света.

    Максвелл продемонстрировал, как переменный электрический поток может генерировать магнитное поле, как если бы это был некий электрический ток, и доказал, что электромагнитные волны любой частоты и длины волны распространяются в вакууме со скоростью света (см. видео).

    Несмотря на значительный вклад в различных областях научных знаний, Максвелл вошел в историю благодаря созданию общей теории электромагнетизма и электрического поля –до этого исследования в этой области были фрагментарны– а также благодаря математическому обоснованию фундаментальных понятий электромагнетизма, которые до тех пор были описаны лишь концептуально, такие как законы электромагнитной индукции и силового поля, обозначенные Майклом Фарадеем и имеющие ключевое значение для исследований Максвелла.

    Теория электромагнетизма, законы Ньютона и термодинамики составляют основы классической физики.

    Максвелл доказал существование электромагнитных волн

    Максвелл ввел понятие электромагнитной волны и сформулировал знаменитые уравнения, ныне носящие его имя. Четыре уравнения Максвелла представляют взаимосвязь электричества и магнетизма , позволяя описать и измерить силовые поля.

    Через несколько лет после смерти Максвелла Генрих Герц подтвердил теорию британского ученого, доказав возможность генерирования электромагнитных волн в лаборатории. Так началось развитие быстрой связи на расстоянии. Такие привычные сегодня приборы, как радио, телевизор, радар и др. обязаны своим появлением этому открытию.

  • В 14 лет Максвелл опубликовал первую научную работу.

    Максвелл родился в тот же год, когда Майкл Фарадей, один из ученых, в работах которого он черпал вдохновение и который впервые ввел понятие поля, изобрел электрогенератор.

  • Какую гипотезу высказал Максвелл при создании теории электромагнетизма?

    Как изменится масса воды в ёмкости? увеличится, так как возросла масса ёмкости не изменится, так как ёмкость была полной и останется полной уменьшится … , так как камни вытеснят часть воды срочно

    допоможіть будь ласкаОбладнання :пластикова кулька або інше невелике тіло (гудзик, ключ, тягарець, тощо), яке можна легко закріпити на нитці; аркуш па … перу із зображенням кола радіуса 15 см; міцна нерозтяжна нитка завдовжки 50-60см; секундомір; лінійка.Підготовка до експериментуПрикріпить кульку(або інше невелике тіло) до нитки На вільному кінці нитки зробить петлю, за яку ви будете тримати нитку, обертаючи тіло в горизонтальній площині. ЕкспериментРезультати вимірювань відразу заносьте до таблиці.1.Візьміть за петлю нитку з тілом. Розташуйте руку над центром зображеного кола. Не змінюючи положення руки, примусьте тіло рухатися так, щоб траєкторія його руху зберігалася з колом. Старайтесь не змінювати швидкість руху тіла.2. Виміряйте час t, за який тіло здійснює 10 обертів …збільшіть кульку у 2 рази і повторити експеримент.збільшіть нитку в 2 рази і повторити експеримент.Визначте період обертання та обертову частоту тіла під час його рівномірного руху по колу. результати занесіть до таблиці.​

    коробка объемом 35см×40см×20см, заполнена сахаром — рафинадом , его масса 42 кг.какова плотность сахара С ОБЪЯСНЕНИЕМ ПОЖАЛУЙСТА!!!​

    нанотехнології в україні

    У звичайному стані азот перебуває

    Задача 5. Автомашина, скорость которой равна 25 м/с, тормозит и через 10 секунд останавливается. Найдите ускорение автомашины. Дано Решение -Do Q= Do … = 25 м/с = 0 t= 10c м 0 — 25 10 -25 а -? Л Ответ: a = -2,5 с Обрати внимание. 11.к. тело тормозит, то его конечная скорость равна нулю. Ускорение автомашины отрицательно, так как её скорость уменьшается.​

    Експериментальне завдання «Тверда рідина». Аморфні тіла називають дуже в’язкими рідинами, Використовуючи воскову свічку та маркер, доведіть, що віск, … нехай дуже повільно, але тече. Для цього покладіть маркер на підвіконня, зверху на маркер (перпендикулярно до нього) покладіть свічку й залиште так на кілька днів. Поясніть результати експерименту.​ СРОЧНО ПЖЖ!!!!!!!

    Експериментальне завдання Візьміть добре зволожену та віджату бавовняну серветку, покладіть її на блюдце, а блюдце поставте в холодильну камеру. Перек … онайтеся, що через деякий час серветка затвердне, а через кілька днів висохне. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та підготуйте звіт про випаровування твердих тіл.​ СРОЧНО!!!! ПОМОГИТЕ!!!!! ПЖЖЖ!!!

    ПОМОГИТЕ ФИЗИКА СРОЧНО ДАМ 10 БАЛЛОВ​

    масса куска железа равно 191 кг.чему равен объёмом. облем куска железа равен 7,8p,rcm³. ответ округлите до сотых​

    Электромагнитная теория — обзор

    Частицы в электромагнитных полях

    Мы изучаем нерелятивистское движение частицы в электромагнитном поле. Обсуждение деталей основы электромагнитной теории, актуальной для наших целей, представлено ниже. Поля механики и электродинамики связаны между собой силой Лоренца ,

    (1,70) F → = e (E → + x → ˙ × B →),

    , который выражает, как электромагнитные поля влияют на движение.В этом смысле он носит аксиоматический характер и был тщательно и с большой точностью подтвержден. Из теории электромагнитных полей нам нужны два дополнительных знания, а именно, что электрическое и магнитное поля E → и B → может быть получено из потенциалов ϕ (x →, t) и A → (x →, t) при

    E → = -∇ → ϕ-∂A → ∂t

    и

    B → = ∇ → × A →.

    Подробности того, почему это действительно так, можно найти ниже. Таким образом, через потенциалы ϕ и A →, сила Лоренца (ур.1.70) становится

    (1.71) F → = e (-∇ → ϕ-∂A → ∂t + x → ˙ × (∇ → × A →)).

    Таким образом, k -я составляющая силы равна

    (1.72) Fk = e (-∂ϕ∂xk-∂Ak∂t + (x → ˙ × (∇ → × A →)) k).

    Однако, используя общий антисимметричный тензор ε ijk и крионекеровский δ ij , мы видим, что

    (1.73) (x → ˙ × (∇ → × A →)) k = Σijk, jɛix˙i (∇ → × A →) j = Σi, jɛijkx˙iΣl, mɛlmj∂Am∂xl = Σi, j, l, mɛkijɛlmjx˙i∂Am∂xl = Σi, j, l, m (ɛkij) 2 (δklδim-δkmδil) x˙i∂Am∂xl = Σi, j (ɛkij) 2 (x˙i∂Ai∂xk- x˙i∂Ak∂xi) = Σi (x˙i∂Ai∂xk-x˙i∂Ak∂xi) = ∂∂xk (x → ˙⋅A →) — (x → ˙⋅∇ →) Ак.

    С другой стороны, полная производная по времени A k равна

    (1.74) dAkdt = ∂Ak∂t + (x → ˙⋅∇ →) Ак.

    Таким образом, уравнение. (1.73) можно переписать как

    (1,75) (x → ˙ × (∇ → × A →)) k = ∂∂xk (x → ⋅⋅A →) -dAkdt + ∂Ak∂t.

    Подставляя уравнение. (1,75) в уравнении. (1.72) для k -й компоненты силы

    (1.76) Fk = e (-∂∂xk (ϕ-x → ˙⋅A →) -dAkdt).

    Хотя изначально это кажется более сложным, теперь на самом деле легче угадать лагранжиан; на самом деле частичный ∂ / ∂xk предполагает, что ϕ-x → ⋅A → — член, отвечающий за силу.Однако из-за зависимости от скорости также присутствует вклад от d / dt (∂ / ∂x˙k); это, к счастью, дает только необходимый срок dAk / dt в уравнении. (1,76). Условия м x → ⋅⋅ может производиться, как и раньше, и в целом мы приходим к

    (1.77) L (x →, x → ˙, t) = 12mx → ˙2-eϕ (x →, t) + eA → (x →, t) ⋅x → ˙.

    Действительно, d / dt (∂L / ∂x˙k) -∂L / ∂xk = 0 для всех k = 1,2,3 эквивалентно Fk = mx¨k для всех k = 1,2,3, и, следовательно, уравнения Лагранжа дают правильный закон силы Лоренца.

    Интересно посмотреть, что произойдет, если мы рассмотрим движение ансамбля нерелятивистских взаимодействующих частиц в электромагнитном поле, где силы взаимодействия F → ji, i ≠ j, выводятся из потенциалов Vji = Vji (| x → i-x → j |).Из предыдущих примеров мы должны попробовать

    (1.78) = Σi = 1N12mix → ˙i-Σi = 1Neiϕi (x → i, t) + Σi = 1NeiA → i (x → i, t) ⋅x → ˙i-12Σi ≠ j = 1NVji.

    Действительно, в данном случае d / dt (∂L / ∂x˙i, k) -∂L / ∂xi, k = 0 эквивалентно mix¨i, k = Fi, k + Σj ≠ iFji, k и, следовательно,

    (1.79) ddt∂L∂x˙i, k-∂L∂xi, k = 0 для всех k = 1,2,3

    эквивалентно

    (1.80) mix → ¨i = F → i + Σj ≠ iF → ji,

    , что снова дает правильные уравнения движения для i -й частицы.

    Теперь перейдем к релятивистскому движению .В этом случае мы ограничимся рассмотрением движения одиночной частицы. Ситуация для ансамбля намного сложнее по разным причинам. Во-первых, потенциалы взаимодействия должны включать эффекты запаздывания. Во-вторых, частицы, движущиеся релятивистски, также создают сложные магнитные поля; поэтому взаимодействие не просто выводится из скалярных потенциалов. На самом деле, вопрос настолько сложен, что до конца не изучен, и есть даже, казалось бы, парадоксальных ситуаций , в которых частицы, взаимодействуя релятивистски, продолжают ускоряться, безгранично набирая энергию (Parrott, 1987; Rohrlich, 1990).

    В качестве первого шага рассмотрим релятивистское движение частицы под действием сил, возникающих только из потенциалов. Уравнение движения задается формулой

    (1.81) F → = ddt (mx → ˙1-x → ˙2 / c2).

    Пытаемся найти лагранжиан L (x →, x → ˙) такая, что ∂L / ∂x˙k дает mx → ˙k / 1-x → ˙2 / c2 и ∂L / ∂xk дает k -ю компоненту силы, F k , для K = 1,2,3. Позволять

    (1.82) L (x →, x → ˙, t) = — mc21-x → ˙2 / c2-V (x →, t).

    Дифференцируя L относительно x k , k = 1,2,3, получаем

    (1.83) ∂L∂xk = -∂V∂xk = Fk.

    Дифференциация L в отношении x˙k, k = 1,2,3, получаем

    (1.84) ∂L∂x˙k = -mc2 (12) (1-x → ⋅2c2) -1/2 (-2x˙kc2) = mx˙k1-x → ˙2 / c2

    Таким образом, Уравнения Лагранжа дают собственное уравнение движения.

    Далее мы изучаем релятивистское движение частицы в полном электромагнитном поле . Основываясь на предыдущем опыте, мы ожидаем, что нам просто нужно объединить члены, которые приводят к силе Лоренца, с теми, которые приводят к релятивистской версии члена ускорения Ньютона, и, следовательно, мы вынуждены попробовать

    (1.85) L = -mc21-x → ˙2 / c2 + ex → ˙⋅A → -eϕ,

    где ϕ — скалярный потенциал для электрического поля и A → — векторный потенциал магнитного поля. Поскольку последний член не способствует d / dt (∂L / ∂x˙k), проверка того, что лагранжиан действительно правильный, следует, как и в предыдущих примерах.

    Электромагнитная теория

    Электромагнитные волны бывают разных видов, в том числе радиоволны, из «длинноволновой». диапазон через VHF, UHF и выше; микроволны; инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет; Рентгеновские лучи, гамма-лучи и т. Д.Около 1860 года Джеймс Клерк Максвелл собрал воедино все известные законы электричества и магнетизма:

    Какая разница? новый закон Максвелла и Закон Фарадея объединяется как волновое уравнение, подразумевая, что любое возмущение в электрическом и магнитном полях будет распространяться вместе в космосе со скоростью света как «электромагнитная» волна.

    Что случилось потом? В 1887 году Генрих Герц использовал передатчик и приемник с искровым разрядником, чтобы продемонстрировать, что эти волны действительно существуют.Искровой генератор вызывает всплеск тока через зазор в центральной антенне. Переходный импульс электрического поля распространяется наружу со скоростью света. Он меняет направление (красный — вверх, синий — вниз), образуя волну и несет с собой магнитное поле и электромагнитную энергию. Электромагнитная волна нарушает электрическое поле в любой точке, через которую она проходит. Поэтому он перемещает заряды в металлической петле, вызывая ток. Значительные токи могут создать достаточно большое напряжение в зазоре, чтобы вызвать искру. указывает на наличие электромагнитной волны.

    Некоторые ключевые приложения, которые зависят от уравнений Максвелла и электромагнитных волн.

    Вехи от Максвелла до современной беспроводной связи
    1885 — Оливер Хевисайд приводит исходные уравнения Максвелла в форму, используемую сегодня.
    1897 — Гульельмо Маркони использует электромагнитные волны для радиосвязи.
    1905 — Альберт Эйнштейн использует уравнения Максвелла, чтобы начать свою специальную теорию относительности.
    1920 — домохозяйства начинают слушать музыку и голосовые передачи по хрустальным и ламповым радиоприемникам.
    1957 — Sony начинает массовое производство доступных портативных транзисторных радиоприемников.
    1973 — Первые карманные или персональные сотовые мобильные телефонные сети.
    2000 — Wi-Fi расширяет возможности подключения мобильных устройств к Интернету.

    Загрузите нашу настенную панель «Теория электромагнетизма»

    JCM Foundation — это благотворительная организация, созданная в Шотландии в 1977 году. (Зарегистрированная благотворительная организация SC015003)
    Свяжитесь с нами. Политика конфиденциальности и файлы cookie.

    Электромагнетизм

    Электромагнетизм Электромагнетизм :

    Магнетизм и электричество не отдельные явления; они связаны проявления лежащей в основе электромагнитной силы. Эксперименты в в начале 19 века, среди прочих, Ганс Орстед (в Дании), Андр-Мари Ампре (во Франции) и Майкл Фарадей (в Англии) раскрыли интимные отношения. связь между электричеством и магнетизмом и как это может вызвать к другому.Результаты этих экспериментов были синтезированы в 1850-х годов шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в его электромагнитной книге. теория. Теория Максвелла предсказала существование электромагнитного волны — колебания в переплетенных электрическом и магнитном полях, бегущие со скоростью света.

    Последние шаги в синтезе электричества и магнетизма в одно целое когерентную теорию создал Максвелл. Он находился под сильным влиянием Фарадея, начав изучение явлений с перевода Экспериментальные открытия Фарадея в математике.(Фарадей был самоучка и никогда не осваивал математику.) В 1856 году Максвелл разработал теория о том, что энергия электромагнитного поля находится в пространстве вокруг проводников, а также в самих проводниках. К 1864 году он сформулировал свою собственную электромагнитную теорию света, предсказав, что свет и радиоволны — это электрические и магнитные явления. В то время как Фарадей обнаружил, что изменения в магнитных полях производят электрические полей, Максвелл добавил обратное: изменения в электрических полях производят магнитные поля даже при отсутствии электрического тока.Максвелл предсказал, что электромагнитные помехи, распространяющиеся в пустом пространстве электрические и магнитные поля расположены под прямым углом друг к другу, и что оба поля перпендикулярны направлению волны. Он заключил что волны движутся с постоянной скоростью, равной скорости света, и этот свет — одна из форм электромагнитной волны. Их элегантность несмотря на это, радикальные идеи Максвелла были приняты немногими за пределами Англии до 1886 года, когда немецкий физик Генрих Герц подтвердил существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света; в открытые им волны известны теперь как радиоволны.

    Выдержка из Британской энциклопедии без разрешения.

    Максвелл и классический электромагнетизм — изучение — ScienceFlip

    Максвелл и классический электромагнетизм — Изучение


    Объединяющая теория Максвелла для электромагнетизма

    Джеймс Клерк Максвелл известен разработкой своих уравнений, объясняющих связь между электричеством, магнетизмом и светом. Его Теория электромагнетизма предоставила объединяющую теорию, согласно которой связывает всю работу, которая ранее была сделана в области электричества и магнетизма.Некоторые из этих работ включены:

    • Датский физик Ганс Орстед наблюдал намагниченную стрелку компаса, отклонившуюся от ее совмещения с магнитным полем Земли, когда соседняя электрическая цепь включалась и выключалась. Это показало, что провод, по которому проходит электрический ток, генерирует магнитное поле, и выявило первое свидетельство связи между электричеством и магнетизмом.
    • Английский физик Майкл Фарадей продемонстрировал в 1830-х годах, что изменение магнитных полей создает электрические поля.

    Работа Максвелла количественно оценила эти отношения посредством точного математического исследования электрических и магнитных эффектов. Его работа, известная как уравнения Максвелла, показывает, что электрические и магнитные поля движутся со скоростью, которая близко соответствует экспериментальным оценкам скорости света. Максвелл разработал всеобъемлющую теорию электромагнетизма, в которой объяснялось, что свет — это форма электромагнитного излучения (ЭМИ). Он также предсказал, что широкий диапазон частот возможен для различных форм ЭМИ за пределами видимого спектра.


    Уравнения Максвелла

    Уравнения, которые Максвелл разработал в своей теории электромагнетизма, основаны на векторном исчислении, которое выходит за рамки этого курса и не будет здесь анализироваться количественно. Уравнения названы в честь физиков, сыгравших значительную роль в работе, которая привела к разработке Максвеллом его теории. Законы:

    • Закон 1 — Закон Гаусса: Этот закон описывает электрический поток, создаваемый электрическими зарядами.
    • Закон 2 — Закон Гаусса для магнитных полей: Этот второй закон очень похож на первый, но применяется к магнитным, а не электрическим полям.
    • Закон 3 — Закон Фарадея: Он описывает электрическое поле, индуцированное изменяющимся магнитным полем.
    • Закон 4 — Закон Ампера-Максвелла: немного похож на закон Фарадея, но он касается изменения электрического потока.

    Прогноз электромагнитных волн

    Теория электромагнетизма Максвелла объединила всю теорию и наблюдения, которые были разработаны в отношении электрической и магнитной физики, и суммировала это с помощью четырех уравнений.Он также математически продемонстрировал, что электромагнитная волна ожидалась. Качественно уравнения Максвелла суммируют взаимодействия между электрическим и магнитным полями, и это привело к предсказанию электромагнитной волны, которая может распространяться в пространстве.

    Он считал, что если изменяющееся электрическое поле создается движением заряженной частицы вперед и назад, то это изменяющееся электрическое поле будет создавать магнитное поле, перпендикулярное исходному электрическому полю.В этом случае изменяющееся магнитное поле также будет создавать изменяющееся электрическое поле, и этот цикл может повторяться бесконечно. Результатом этого были бы два взаимно распространяющихся поля. Электромагнитное излучение будет самораспространяться и распространяться в космос в виде электромагнитной волны фиксированной частоты. Кроме того, электрическое и магнитное поля обязательно будут колебаться с одной и той же частотой. На схеме ниже показано электрическое поле, перпендикулярное магнитному полю, распространяющееся в пространстве в виде электромагнитной волны.Поля перпендикулярны направлению распространения.

    Любой заряд, подвергшийся воздействию электромагнитного излучения, будет реагировать на электрическое поле излучения и ускоряться согласно F = qE. Кроме того, на любой заряд будет действовать сила F от магнитного поля согласно F = qvBsinθ. В результате электромагнитное излучение может быть преобразовано в кинетическую энергию.


    Прогноз скорости

    Расчеты Максвелла дали теоретическое значение скорости, с которой электромагнитная волна должна распространяться в пространстве.Эта скорость настолько близко соответствовала экспериментальным значениям скорости света, что привела физиков к мысли, что свет является формой электромагнитного излучения. Скорость света принята равной 299792458 м / с. В расчетах скорость света c часто принимается равной 3 × 10 8 м / с.

    Для ЭМИ существует специальный вариант волнового уравнения (v = fλ), который связывает скорость ЭМИ / света с частотой и длиной волны любой электромагнитной волны: c = fλ.


    Пример:

    Какова частота красного света с длиной волны 620 нм?

    Ответ:

    Использование:

    Фарадей и электромагнитная теория света

    Майкл Фарадей (22 сентября 1791 — 25 августа 1867), вероятно, наиболее известен своим открытием электромагнитной индукции, его вкладом в электротехнику и электрохимию или тем, что он отвечал за введение концепции поля в физике. описать электромагнитное взаимодействие.Но, возможно, не так хорошо известно, что он также внес фундаментальный вклад в электромагнитную теорию света .

    В 1845 году, всего 170 лет назад, Фарадей обнаружил, что магнитное поле влияет на поляризованный свет — явление, известное как магнитооптический эффект или эффект Фарадея. Чтобы быть точным, он обнаружил, что плоскость колебаний луча линейно поляризованного света, падающего на кусок стекла, вращалась, когда магнитное поле было приложено в направлении распространения луча.Это было одно из первых указаний на связь электромагнетизма и света. В следующем году, в мае 1846 года, Фарадей опубликовал статью Мысли о вибрациях лучей , пророческую публикацию , в которой он предположил , что свет может быть вибрацией электрических и магнитных силовых линий.

    Майкл Фарадей (1791-1867) / Источники: Wikipedia

    Случай Фарадея нечасто встречается в истории физики: хотя его обучение было очень простым, законы электричества и магнетизма в гораздо большей степени связаны с экспериментальными открытиями Фарадея, чем с любыми другими учеными.Он открыл электромагнитной индукции , что привело к изобретению динамо-машины, предшественницы электрического генератора. Он объяснил электролиз с точки зрения электрических сил, а также представил такие концепции, как поле , и силовых линий, , которые не только были фундаментальными для понимания электрических и магнитных взаимодействий, но и легли в основу дальнейших достижений в физике.

    Майкл Фарадей родился в Южном Лондоне в скромной семье.Единственное базовое формальное образование, которое он получил в детстве, — это чтение, письмо и арифметика. Он бросил школу, когда ему было тринадцать, и начал работать в переплетном магазине. Его страсть к науке была пробуждена описанием электричества , которое он прочитал в копии Британской энциклопедии , которую он подписывал, после чего он начал экспериментировать в импровизированной лаборатории. 1 марта 1813 года Фарадей был нанят в качестве лаборанта Хэмфри Дэви в Королевском институте в Лондоне, членом которого он был избран в 1824 году и где он проработал до своей смерти в 1867 году сначала помощником Дэви, затем его сотрудником и, наконец, , после смерти Дэви, как его преемник.Фарадей произвел на Дэви такое впечатление, что когда последнего спросили о его величайшем открытии, Дэви ответил: «Моим величайшим открытием был Майкл Фарадей». В 1833 году он стал первым фуллеровским профессором химии в Королевском институте. Фарадей также признан великим популяризатором науки. В 1826 году Фарадей основал в Королевском институте «Пятничные вечерние лекции», которые являются каналом связи между учеными и непрофессионалами. В следующем году он запустил Рождественские лекции для молодежи, которые ежегодно транслируются по национальному телевидению, серию, цель которой — представить науку широкой публике.Многие из этих лекций читал сам Фарадей. Оба они продолжаются по сей день.

    Майкл Фарадей читает рождественскую лекцию в Королевском институте в 1856 г. / Источники: Википедия

    Фарадей сделал свое первое открытие электромагнетизма в 1821 г. Он повторил эксперимент Эрстеда , поместив небольшой магнит вокруг токоведущего провода и убедившись, что сила, действующая со стороны ток на магните был круговым. Как он объяснил много лет спустя, провод был окружен бесконечной серией круговых концентрических силовых линий , которые он назвал магнитным полем тока. Он взял за отправную точку работы Эрстеда и Ампера по магнитным свойствам электрических токов и в 1831 году получил электрический ток из изменяющегося магнитного поля, явление, известное как электромагнитная индукция . Он обнаружил, что, когда через катушку пропускают электрический ток, в соседней катушке генерируется еще один очень короткий ток. Это открытие ознаменовало решающую веху в прогрессе не только науки, но и общества , и сегодня оно используется для производства электроэнергии в больших масштабах на электростанциях.Это явление открывает кое-что новое об электрических и магнитных полях. В отличие от электростатических полей, создаваемых электрическими зарядами в состоянии покоя, циркуляция которых по замкнутому пути равна нулю (консервативное поле), циркуляция электрических полей, создаваемых магнитными полями, происходит по замкнутому пути, отличному от нуля. Эта циркуляция, которая соответствует индуцированной электродвижущей силе, равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, граница которой представляет собой проволочную петлю ( закон индукции Фарадея ).Фарадей изобрел первый электродвигатель, первый электрический трансформатор, первый электрический генератор и первую динамо-машину, поэтому Фарадея можно без всяких сомнений назвать отцом электротехники .

    Фарадей отказался от теории жидкости для объяснения электричества и магнетизма и ввел концепции поля и силовых линий , отойдя от механистического объяснения природных явлений, таких как действия Ньютона на расстоянии. Введение Фарадеем концепции поля в физику, возможно, является его наиболее важным вкладом, и он был описан Эйнштейном как великое изменение в физике , потому что оно обеспечило электричество, магнетизм и оптику общей структурой физических теорий.Однако силовые линии Фарадея не были приняты до тех пор, пока несколько лет спустя не появился Джеймс Клерк Максвелл.

    Как отмечалось в начале этой статьи, другим и, возможно, менее известным эффектом, обнаруженным Фарадеем, было влияние магнитного поля на поляризованный свет, явление, известное как эффект Фарадея или магнитооптический эффект . Пытливый ум Фарадея не удовлетворился простым открытием взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Он также хотел определить, влияют ли магнитные поля на оптические явления. Он верил в единство всех сил природы, в особенности света, электричества и магнетизма. 13 сентября 1845 г. г. он обнаружил, что плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается, когда этот свет проходит через материал, к которому приложено сильное магнитное поле в направлении распространения света. Фарадей написал в абзаце № 7504 своей книги « Dairy :

    ».

    «Сегодня работал с магнитными силовыми линиями, пропуская их через разные тела (прозрачные в разных направлениях) и в то же время пропуская через них поляризованный луч света (…) на поляризованном луче производился эффект, и, таким образом, магнитный доказано, что сила и свет связаны друг с другом ».

    Это, безусловно, было первым четким указанием на то, что магнитная сила и свет связаны друг с другом, а также показало, что свет связан с электричеством и магнетизмом. В связи с этим явлением Фарадей также писал в том же абзаце:

    .

    «Этот факт, скорее всего, окажется чрезвычайно плодотворным и очень ценным при исследовании обоих условий естественной силы».

    Он не ошибся. Этот эффект является одним из краеугольных камней электромагнитной теории света.

    Вращение поляризации из-за эффекта Фарадея / Источники: адаптировано из Википедии

    В выступлении королевского института в пятницу вечером, проведенном в апреле 1846 года года, Фарадей предположил, что свет может быть некоторой формой возмущения, распространяющегося вдоль силовых линий . На самом деле именно в эту пятницу Чарльз Уитстон должен был выступить с докладом о своем хроноскопе. Однако в последнюю минуту Уитстона охватил приступ страха перед сценой, и Фарадей выступил с речью Уитстона.Так как он закончил раньше времени, он заполнил оставшиеся минуты, раскрывая свои мысли о природе света . Выступление Фарадея было опубликовано в том же году в журнале Philosophical Magazine под заголовком Мысли о лучевых вибрациях . Фарадей даже осмелился поставить под сомнение существование светоносного эфира — научная ересь того времени — который должен был быть средой для распространения света, как так элегантно Френель описал в своей волновой теории света.Он предположил, что свет может быть не результатом вибраций эфира, а вибрацией физических силовых линий. Фарадей попытался исключить эфир, но он сохранил вибрации. Почти извиняющимся тоном Фарадей заканчивает свой доклад, в котором говорится:

    .

    «Я думаю, что вполне вероятно, что я сделал много ошибок на предыдущих страницах, потому что даже для меня мои идеи по этому поводу кажутся только тенью спекуляции ».

    Однако эта идея Фарадея была воспринята со значительным скептицизмом и отвергалась всеми до тех пор, пока в 1865 году не была опубликована статья Максвелла под названием Динамическая теория электромагнитного поля .В этой статье Максвелл не только описывает свою основополагающую электромагнитную теорию света — одну из вех, отмеченных в этом Международном году света 2015 — но также приписывает идеи, которые в конечном итоге легли в основу его теории, мыслям Фарадея о лучевых вибрациях . На странице 466 своей статьи со скромностью, всегда свойственной Максвеллу, он ссылается на статью Фарадея 1846 года следующим образом:

    «Концепция распространения поперечных магнитных возмущений за исключением нормальных четко изложена профессором Фарадеем в его« Мысли о лучевых колебаниях ».Электромагнитная теория света, предложенная им [Фарадеем], по сути та же, что и та, которую я начал развивать в этой статье, за исключением того, что в 1846 году не было данных для расчета скорости распространения ».

    И на странице 461 своей статьи 1865 года Максвелл также упоминает о магнитооптическом эффекте, заявляя:

    «Фарадей обнаружил, что когда плоско поляризованный луч пересекает прозрачную диамагнитную среду в направлении силовых линий магнитного поля, создаваемых соседними магнитами или токами, плоскость поляризации вращается».

    Всего Майкл Фарадей цитируется шесть раз и трижды упоминается в статье Максвелла 1865 года. Однако это неудивительно, учитывая, что большая часть работ Максвелла основана на работах Фарадея, и Максвелл математически смоделировал большинство открытий Фарадея по электромагнетизму в теории, которую мы знаем сегодня.

    Электромагнитные волны, о существовании которых Фарадей размышлял в 1846 году в своих мыслях о лучевых колебаниях , и которые были математически предсказаны Максвеллом в 1865 году, наконец, были получены в лаборатории Герца в 1888 году.Остальное уже история. Ясно, что Максвелл открыл дверь в физику двадцатого века, но не менее ясно, что Фарадей дал Максвеллу некоторые из ключей, которые он использовал.

    В 1676 году Ньютон послал своему сопернику Гуку письмо, в котором написал: «Если я и видел дальше, то это было то, что он стоял на плечах гигантов» (*). Двести пятьдесят лет спустя, во время одного из визитов Эйнштейна в Кембридж, Великобритания, кто-то заметил: «Вы сделали великие дела, но стоите на плечах Ньютона». Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».Если бы кто-то сказал то же самое Максвеллу, он, вероятно, сказал бы, что он стоит на плечах Фарадея .

    (*) Хотя это предложение интерпретируется некоторыми авторами как саркастическое замечание, направленное на горбатую внешность Гука, в настоящее время эта фраза обычно используется в положительном ключе. Комментарий Ньютона — это заявление о том, что наука представляет собой серию постепенных достижений, в основе которых лежат уже достигнутые ранее (см., Например, книгу Стивена Хокинга под названием На плечах гигантов ).

    Аугусто Белендес

    Профессор прикладной физики Университета Аликанте (Испания) и член Королевского физического общества Испании

    Библиография

    • A. Díaz-Hellín, Faraday: El gran cambio en la Física (Nívola. Madrid, 2001).
    • Ордоньес, В. Наварро и Х. М. Санчес Рон, Historia de la ciencia (Espasa Calpe. Madrid, 2013).
    • Форбс и Б. Махон, Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека революционизировали физику (Prometheus Books.Нью-Йорк, 2014).
    • Зайонц, Улавливая свет: переплетенная история света и разума (Oxford University Press, Нью-Йорк, 1995)
    • Хокинг, На плечах гигантов: великие труды по физике и астрономии (Running Press. Philadelphia, 2002)
    • Мансурипур, Классическая оптика и ее приложения (Издательство Кембриджского университета. Кембридж, 2002)

    Максвелл и Герц

    Ученые и электромагнитные волны:


    Максвелл и Герц

    Около 150 лет назад, Джеймс Клерк Максвелл , англичанин. ученый, разработал научную теорию для объяснения электромагнитных волны.Он заметил, что электрические и магнитные поля могут соединяются вместе, образуя электромагнитные волны. Ни электрический поле (например, статика, которая образуется, когда вы теряете ногу о ковер), ни магнитное поле (например, то, которое удерживает магнит на ваш холодильник) отправятся куда угодно сами по себе. Но Максвелл обнаружил, что ИЗМЕНЕНИЕ магнитного поля вызывает ИЗМЕНЕНИЕ электрическое поле и наоборот.


    Джеймс Клерк Максвелл

    Электромагнитная волна существует, когда изменяющееся магнитное поле вызывает изменяющееся электрическое поле, которое затем вызывает другое изменение магнитного поле и так далее навсегда.В отличие от СТАТИЧЕСКОГО поля, волна существовать не может. если он не движется. После создания электромагнитная волна будет продолжаться вечно, если оно не поглощено материей.

    Генрих Герц , немецкий физик, применил теории Максвелла на производство и прием радиоволн. В единица частоты радиоволны — один цикл за второй — назван герц, в честь Генриха Герц.

    Герц доказал существование радиоволн в конце 1880-х годов.Он два стержня служили приемником, а искровой разрядник — приемником. усики. Там, где поднимались волны, прыгала искра. Герц показал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойства электромагнитных волн.


    Генрих Герц

    С помощью этого генератора Герц решил две проблемы. Первый, время волн Максвелла. Он продемонстрировал в бетоне, что Максвелл только предположил — что скорость радио волны равнялись скорости света! (Это доказало, что радиоволны были форма света!) Во-вторых, Герц узнал, как сделать электрические и магнитные поля отделяются от провода и уходят на свободу, как волны Максвелла.


    Вернуться к «Что такое электромагнитные волны?»

    Введение в теорию электромагнитных волн

    Электромагнетизм Электромагнитные волны

    Электромагнитные волны в средах без бесплатных зарядов

    Уравнения Максвелла в среде с диэлектрической проницаемостью,; магнитная проницаемость,; и электропроводность в среде без свободных зарядов принимают следующие формы:

    Название уравнения Дифференциальная форма Комментарий
    Закон Максвелла – Ампера Электрическое поле вместе со скоростью его изменения создает магнитное поле.
    Закон Фарадея Скорость изменения магнитного поля создает электрическое поле.
    Закон Гаусса Предполагается, что свободных электрических зарядов нет.
    Магнитный закон Гаусса Нет свободных магнитных зарядов.

    Закон Максвелла – Ампера и закон Фарадея можно объединить в волновое уравнение второго порядка, взяв ротор одного уравнения и подставив его в другое.Другими словами, система, образованная этими двумя уравнениями первого порядка, представляет собой электромагнитные волны.

    Делители луча могут разделять луч света, например, с длиной волны 700 нм, на два. Один из методов создания светоделителя заключается в нанесении слоя металла между двумя призмами из стекла. Внутри слоя луч слегка ослабляется, а затем разделяется на два разных пути. Изображение показывает величину электромагнитной волны, где красный и синий — высокие и низкие значения соответственно.

    Делители луча могут разделять луч света, например, с длиной волны 700 нм, на два. Один из методов создания светоделителя заключается в нанесении слоя металла между двумя призмами из стекла. Внутри слоя луч слегка ослабляется, а затем разделяется на два разных пути. Изображение показывает величину электромагнитной волны, где красный и синий — высокие и низкие значения соответственно.

    Формулировки поля для электромагнитных волн

    Чтобы вывести одно волновое уравнение второго порядка для электрического поля, сначала предположим, что материал не зависит от времени.Затем проницаемость может быть взята вне производной по времени в законе Фарадея и инвертирована:

    Теперь возьмем локон из этого уравнения:

    Сбор терминов на одной стороне дает:

    Аналогичный вывод дает следующее уравнение относительно магнитного поля:

    В этой формулировке мы предположили, что свойства материала не зависят от пространства. Выведя вместо этого волновое уравнение из магнитного векторного потенциала, это ограничение можно ослабить, как показано ниже.

    Электромагнитные волны в свободном пространстве

    В свободном месте ,,, и. Уравнение для электрического поля можно записать в виде:

    Эквивалентная формулировка:

    где скорость света:

    Закон Гаусса в свободном пространстве равен, что вместе с векторным тождеством:

    дает следующую и, возможно, более знакомую форму волнового уравнения:

    и аналогично дает следующую форму для магнитного поля:

    Уравнения электромагнитных волн

    Наиболее важные уравнения для электромагнитных волн приведены в следующей таблице:

    Здесь — магнитный поток через замкнутый контур C , а — поверхностная плотность тока.

    Предельный процесс для вывода граничных условий, соответствующих поверхностным интегралам в законе Максвелла – Ампера и законе Фарадея, включает потоки, которые проходят перпендикулярно ограничивающей поверхности. Вклад процесса равен нулю для исчезающей площади поверхности, и поэтому граничные условия, соответствующие закону Максвелла – Ампера и закону Фарадея, идентичны таковым для статических случаев.

    Участок воздуха, окружающий прямоугольную идеально проводящую металлическую пластину, на которую падает плоская электромагнитная волна с частотой 10 ГГц.Пластина 1,5 на 1,5 на 1 мм. Электрическое и магнитное векторные поля представлены красными и синими стрелками соответственно. Электрическое поле поляризовано в направлении y . -Компонент поля визуализируется в определенный момент времени цветом на двух пересекающихся плоскостях, где синий и красный представляют собой низкие и высокие значения поля, соответственно. Картина поля около пластины является результатом того, что касательное электрическое поле к металлической пластине равно нулю.

    Участок воздуха, окружающий прямоугольную идеально проводящую металлическую пластину, на которую падает плоская электромагнитная волна с частотой 10 ГГц.Пластина 1,5 на 1,5 на 1 мм. Электрическое и магнитное векторные поля представлены красными и синими стрелками соответственно. Электрическое поле поляризовано в направлении y . -Компонент поля визуализируется в определенный момент времени цветом на двух пересекающихся плоскостях, где синий и красный представляют собой низкие и высокие значения поля, соответственно. Картина поля около пластины является результатом того, что касательное электрическое поле к металлической пластине равно нулю.

    Формулировка векторного потенциала для электромагнитных волн

    Можно вывести волновое уравнение второго порядка с помощью векторного магнитного потенциала.Для этого сначала примем временную калибровку вместе с определением векторного потенциала и подставим их в закон Максвелла – Ампера:

    Сбор терминов на одной стороне дает:

    Обратите внимание, что эта формулировка предназначена для материала, не зависящего от времени. Для материала, зависящего от времени, диэлектрическую проницаемость нельзя вынести за пределы производной по времени.

    Составы с гармониками во времени

    Поле гармоники времени« может быть расширено как:

    as can and, где члены высшего порядка включают обертоны, пропорциональные, и т. Д.Для синусоидального поля обертоны исчезают, и остаются только нулевой (постоянный) член Фурье первого порядка. При манипулировании выражениями и уравнениями, включающими гармонические по времени поля, не зависящая от времени часть рассматривается как комплексное векторное поле. Преобразование обратно от формулировок векторных полей к действительным, зависящим от времени количествам:

    Формулировки гармонических по времени электромагнитных волн следующие:

    Обратите внимание, что уравнение для идентично уравнению из-за связи.

    Комплексные значения диэлектрической проницаемости и показателей преломления

    В оптике предпочтительным свойством материала является показатель преломления. Показатель преломления определяется как:

    где — скорость света в вакууме, а — фазовая скорость света в среде.

    Показатель преломления также может быть записан как функция относительной диэлектрической проницаемости ,, и проницаемости, согласно.

    Во многих важных оптических материалах он близок к 1, а показатель преломления приблизительно равен:

    Для моделирования затухания в формулировке гармонической во времени электромагнитной волны мы можем учесть комплексную диэлектрическую проницаемость (см. Также: Электроквазистатика, Теория и, следовательно, комплексный показатель преломления:

    Форма плоской волны уравнений Максвелла

    Плоская волна, выраженная в гармоническом по времени электрическом поле, может быть записана как комплекснозначное векторное поле:

    где — постоянный вектор; — волновой вектор; — пространственная координата; и является независимым от времени комплексным векторным полем.

    Условие плоской формы волны соответствует векторному полю в предположении, что материал изотропный.

    Закон Фарадея

    Для линейной среды гармоническая по времени версия закона Фарадея принимает форму.

    Для плоской волны имеем следующее векторное тождество:

    , так что закон Фарадея для плоской волны принимает вид, или, что то же самое,.

    Закон Максвелла – Ампера

    Гармоническая по времени версия закона Максвелла – Ампера для линейной среды:

    Для плоской волны в среде с изотропной однородной проницаемостью это уравнение принимает вид:

    или:

    Уравнение плоской волны

    Теперь напишите:

    и объединить в:

    Некоторая манипуляция дает:

    или:

    Условия сбора в левой части дают:

    Для материала с уравнение принимает следующий вид:

    Это уравнение плоской волны, которое ограничено средами с однородной изотропной проницаемостью, как объясняется ниже.

    В качестве альтернативы можно ввести комплексную диэлектрическую проницаемость:

    В этом случае уравнение плоской волны принимает следующий вид:

    Материальные отношения и поперечные поля

    Если среда имеет анизотропную проницаемость, то из-за этого мы можем иметь это и не выровнены. Таким образом,, и не обязательно взаимно перпендикулярны.

    С другой стороны, и всегда выравниваются для среды с изотропной однородной проницаемостью.Согласно магнитному закону Гаусса, он утверждает, что:

    , так что гарантированно будет перпендикулярно обоим и.

    Кроме того, поскольку и, мы имеем, что перпендикулярно обоим и.

    Однако, если допустить анизотропную диэлектрическую проницаемость, то и выровняться нельзя, т.к. Это означает, что он не может быть перпендикулярным или поперечным по отношению к.

    Смещено или смещено и соответствует волновому вектору, не выровненному с вектором Пойнтинга,.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.