Iсторія фізіки

Історія фізики: електромагнетизм.

 

 Горяєв М.А. 

 

 В 18 столітті продовжувались  роботи з електризації тіл,  розпочаті Гільбертом. Численні  експерименти, проведені в різних  лабораторіях, дозволили виявити  не тільки нові матеріали, здатні  електризувала при терті, але  і відкрити ряд нових властивостей  цього явища. Англієць Стівен  Грей (1670-1735) показав, що електрика  може поширюватися по деяких  тіл, тобто ввів поняття провідника  і ізолятора. Були вдосконалені  пристрої для отримання електрики  - електростатичні машини, створені  конденсатори (лейденська банку).

 

 Інтерес до нових  явищ широко розповсюджувався  в суспільстві завдяки різним  фокусів і демонстрацій на  публіці. Систематичні дослідження  з електричними явищами провів  Франклін і сформулював в 1747 р. свою теорію з використанням  поняття електричного флюїда, надлишок  або нестача якого обумовлює  електризацію тел. 

 

 Франклін Бенджамін  (17.01.1706-17.04.1790) - американський фізик,  член Лондонського королівського  товариства (1756), Петербурзької АН (1789), видатний політичний і громадський  діяч, медаль Коплі (1753). Народився  в Бостоні в сім'ї підприємця. Освіту здобув самостійно. У 1727 організував у Філадельфії власну  друкарню, в 1731 - перший в Америці  публічну бібліотеку, в 1743 - американське  філософське товариство (перший  в Америці науково-дослідна установа), у 1751 - Пенсільванський університет. 1737-53 - поштмейстер Пенсільванії, 1753-74 - північноамериканських колоній.  Брав участь у складанні "Декларації  незалежності" та Конституції  США. 

 

 В 1746-54 провів експериментальні  дослідження з електрики, пояснив  дію лейденської банки, побудував  перший плоский конденсатор, винайшов  у 1750 Блискавковідвід, довів у  1753 тотожність земного і атмосферного  електрики, електричну природу  блискавки. Розробив (1750) теорію електричних  явищ, ввів поняття позитивного  і негативного електрики. Досліджував  питання теплопровідності металів,  розповсюдження звуку в повітрі  і воді. Автор низки винаходів  (застосування іскри для вибуху  пороху та ін.)

 

 Роботи Франкліна Лондонське  королівське товариство визнало  негідними публікації, і вони  були опубліковані його другом  англійським фізиком Пітером  Коллінсоном (1694-1768) за свій рахунок.  Успіх публікації був величезний, а після того, як у 1752 був  реалізований його експеримент  з громовідводи, що підтверджує  еквівалентність електричної іскри  і блискавки, науковий ентузіазм  до дослідження електричних явищ  розповсюдився дуже широко. Королівське  товариство у 1753 р. присудило  Франкліну Коплеевскую медаль, а  в 1756 р. обрала своїм членом.

 

 Загальна, вже склалася  на той час методологія наукових  досліджень вимагала кількісних  вимірів. І засновником електричної  метрології був Вольта, який також  сконструював досить точні електрометрії. 

 

 Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) - італійський фізик, хімік і  фізіолог, член Лондонського королівського  товариства і Паризької АН, медаль  Коплі (1794). Народився в Комо  в знатній дворянській сім'ї.  Навчався у школі ордена єзуїтів.  У 1774-79 викладав фізику в гімназії  в Комо, з 1779 - професор Павійского  університету, в 1815-19 - директор філософського  факультету Падуанського університету.

 

 Роботи в області  електрики, молекулярної фізики. Розвинув теорію лейденської  банки (1769), побудував смоляної  електрофор (1775), електроскоп з соломинками  (1781), конденсатор (1783), електрометрії  та інші прилади, описав дію  телеграфу. У 1792 почав повторювати  досліди Л. Гальвані з "твариною" електрикою і прийшов до висновку, що причиною короткочасного струму  є наявність ланцюга з двох  класів різнорідних провідників  (двох металів та рідини). Наприкінці 1799 сконструював перше джерело  тривалого гальванічного струму - вольтів стовп. Відкрив (1795) взаємну  електризацію різнорідних металів  при контакті і склав ряд  напруг для металів (1801). Досліджував  теплове розширення повітря, спостерігав  дифузію, встановив провідність  полум'я (1787). Виявив метан (1776) і пояснив його утворення розкладанням  тваринних і рослинних останків.

 

 Його ім'ям названа  одиниця напруги - вольт. 

 

 Блестящие дослідження  в області електрики провів  Кулон. 

 

 Кулон Шарль Огюст  (14.06.1736-23.08.1806) - французький фізик  і військовий інженер, член  Паризької АН (1803). Народився в  Ангулеме в сім'ї чиновника.  Закінчив військово-інженерну школу  в Мезьєра (1761), після чого кілька  років перебував на військової  служби на Мартініці, де керував  будівництвом флоту. Після повернення  до Франції служив у військово-інженерному  корпусі, приділяючи з часом  все більше уваги науковим  дослідженням.

 

 Роботи в області  механіки, електрики і магнетизму. Перша наукова робота, розпочата  ще на Мартініці, "Про програму  правил максимумів і мінімумів  до деяких проблем статики,  що відноситься до архітектури  "визначила прогрес будівельної  механіки 18-19 століть. Сформулював  в 1781 закони тертя ковзання  і кочення. Досліджував і сконструював  у 1784 крутильні ваги, з допомогою  яких в 1785 встановив основний  закон електростатики, а в 1788 розповсюдив  його на взаємодії магнітних  полюсів. Висунув гіпотезу магнетизму, за якої магнітні рідини не  вільні, а пов'язані з окремими молекулами, поляризуються в процесі намагнічування. Сконструював магнетометр (1785).

 

 Його ім'ям названа  одиниця заряду - кулон. 

 

 Кулон сконструював  крутильні ваги високої чутливості, встановивши попередньо, що сила  закручування нитки залежить  від речовини нитки, пропорційна  куту закручування і четвертого  ступеня діаметра нитки і назад  пропорційна її довжині. За  допомогою цих ваг Кулон експериментально  встановив, що сили тяжіння  і відштовхування зарядів обернено  пропорційні квадратах відстаней.  Кулоном ж була постульовано  пропорційність сили взаємодії  твору електричних зарядів, тобто  за 4 роки інтенсивної роботи з  1785 по 1789 їм було закладено фундамент  сучасної електростатики. Оскільки  електростатичні сили так само  залежать від відстані, як і  ньтоновскіе, то тут можна використовувати  всі властивості ньютонівських  сил, знайдені в теоретичної  механіки.

 

 Слід зазначити, що  використовуючи також крутильні  ваги, Кавендіш у 1798 р. довів  справедливість закону тяжіння  для звичайних (не небесних) тел. 

 

 Кавендіш Генрі (10.10.1731-24.02.1810) - англійський фізик і хімік,  член Лондонського королівського  товариства (1760). Народився в Ніцці  в сім'ї лорда. У 1749-53 навчався  в Кембріджському університеті. Більшу частину життя провів  на самоті, повністю віддаючись  наукової роботи у власній  лабораторії. 

 

 Публікував тільки  ті статті, в яких був повністю  впевнений, через що багато  робіт по електрики залишалися  невідомими. Видані в 1879 Дж. Максвелом  ці роботи показали, що ще в  1771 він прийшов до висновку  про зворотній пропорційності  сили електростатичного взаємодії  квадрату відстані. Ввів поняття  електроємна, відкрив вплив середовища  на ємність конденсатора і  визначив діелектричну проникність  ряду речовин. У 1798 виміряв  гравітаційну силу тяжіння двох  невеликих сфер, визначив гравітаційну  постійну, масу і середню щільність  Землі. Отримавши у 1766 водень  і визначив його властивості,  встановив склад води і показав,  що її можна отримати штучним  шляхом, визначив вміст кисню  в повітрі (1781).

 

 З перші ж випадків  ураження електричним розрядом  виникли припущення про "тваринну  електрику", регуляторі життя  тварин. В 1773 р. з'явився мемуари  Джона Уолша про електричному  схилі, а у фізіологів виникла  гіпотеза про "тваринної есенції", яка подібно електричному флюїди  відповідальна за перенесення  нервових сигналів.

 

 Професор анатомії  Болонського університету Луїджі  Гальвані (1737-1798) провів електро-фізіологічні  досліди і прийшов до висновку  про однаковому ефекті скорочення  м'язів жаби від фізіологічного  та електричного впливу. Результати  вразили Вольта, особливу увагу  якого привернула одна особливість  гальванічного досвіду: передача  сигналу для скорочення м'яза  провідниками однорідними або  складеними з різних металів  здійснювалася по-різному. 

 

 Вольта спочатку провів  досвід з виявленням кислуватого  смаку мовою, якщо до кінчика  його прикладати один кінець, а до середини - другий кінець  дуги, складеної з різних металів.  Потім він приступив до чисто  фізичним дослідженням контактного  електрики і отримав закон  контактних напруг, розташувавши  метали в "ряд напруг". У  підсумку Вольта винайшов новий  прилад, який спочатку назвав "штучним  електричним органом", а потім  "електрорухомий апаратом". Французи  пізніше стали називати його "гальванічним  або вольтові стовпом".

 

 Винахід гальванічних  елементів (набагато більш зручних  електричних джерел, ніж електростатичні  машини) істотно розширило коло  досліджень з електрики. Перш  за все, була показана ідентичність  електричного і гальванічного  "флюїдів", різниця між якими  спочатку виявлялася у низці  фізіологічних та хімічних процесів (електричний удар, хімічна дію  струму тощо).

 

 Вже після перших  досліджень в області електрики  і магнетизму виникали припущення  про зв'язок між ними. Пошуки  зв'язку з цим інтенсифікувалися  після відкриття законів Кулона. Вирішальний експеримент у цій  галузі в 1820 р. поставив Ерстед, який виявив відхилення магнітної  стрілки провідником зі струмом. 

 

 Ерстед Ханс Крістіан (14.08.1777-09.03.1851) - датський фізик, неодмінний  секретар Датського королівського  товариства (з 1815), почесний член  Петербурзької (1830) і інших академій  наук. Народився в Рудкебінге  в сім'ї аптекаря. Закінчив Копенгагенський  університет: диплом фармацевта (1797), ступінь доктора (1799). З 1806 - професор цього університету, з  1829 одночасно директор Копенгагенської  політехнічної школи. 

 

 Роботи в області  електрики, акустики, молекулярної  фізики. Для наукової творчості  Ерстеда характерний пошук взаємозв'язку  між різними явищами природи.  Виявлення ним дії електричного  струму на магнітну стрілку  призвело до виникнення нової  галузі фізики - електромагнетизму.  У 1822-23 незалежно від Ж. Фур'є  перевідкрив термоелектричний ефект  і побудував перший термоелемент. Експериментально вивчав стискальність  і пружність рідин і газів,  винайшов пьезометр. 

 

 Був блискучим лектором  і популяризатором, організував  у 1824 Товариство з поширенню  природознавства, створив першу  в Данії фізичну лабораторію. 

 

 Його ім'ям названа  одиниця напруженості магнітного  поля - Ерстед.

 

 Слід відзначити один  важливий факт в досвіді Ерстеда:  виявлений ефект не вписувався  в ньютонівську концепцію взаємодії,  де всі сили були центральними. У тому ж 1820 французькі фізики  Біо і Фелікс Савар (1791-1836) експериментально  досліджували залежність величини  магнітного поля від відстані  від провідника з струмом до  точки спостереження. Однак такої  залежності у загальному вигляді  їм отримати не вдалося. Ця  задача була вирішена Лапласа  і одержаний ним загальний  закон носить назву закону  Біо-Саварен-Лапласа. 

 

 Одночасно Ампер відкрив  взаємодія струмів, яке він  назвав електродинамічних. 

 

 Ампер Андре-Марі (22.01.1775-10.06.1836) - французький фізик, математик  і хімік, член Паризької (1814), Петербурзької (1830) та інших академій  наук. Народився в Ліоні в сім'ї  комерсанта. Отримав домашню освіту. У 1801 став викладати фізику  та хімію в центральній школі  м. Бурга. У 1805-24 працював у  Політехнічної школі в Парижі (з 1809 - професор), з 1824 - професор  Колеж де Франс. 

 

 Фізичні праці присвячені  електромагнетизму. Встановив закон  взаємодії електричних струмів  (закон Ампера), розробив теорію  магнетизму. Згідно з цією теорії  все магнітні взаємодії зводяться  до взаємодії кругових молекулярних  електричних струмів, кожен з  яких еквівалентний плоскому  магніту - магнітного листку. Ампер  вперше вказав на тісний зв'язок  між електричними і магнітними  процесами. Відкрив (1822) магнітний  ефект котушки зі струмом - соленоїда, який є еквівалентом  постійного магніту, висунув ідею  посилення магнітного поля шляхом  приміщення всередину соленоїда  залізного осердя. У 1820 запропонував  використовувати електромагнітні  явища для передачі сигналів, винайшов комутатор, електромагнітний  телеграф. Сформулював поняття "кінематика", проводив дослідження в галузі  філософії і ботаніки.

 

 Його ім'ям названа  одиниця струму - ампер. 

 

 Ампер також запропонував  гіпотезу, відповідно до якої  магніт являє собою сукупність  струмів, і вивів формулу взаємодії  елементів струму. Розвинена їм  теорія дозволяла пояснити різні  види взаємодії: магнітостатіческіе, електромагнітні та електродинамічні. Проведені Ерстед, Ампером та  іншими вченими дослідження дії  магнітів на провідники зі  струмом і виявлене в 1821 Фарадеєм  обертання провідника зі струмом  в магнітному полі лягли в  основу створення гальванометром, які в різних модифікаціях  широко використовувалися при  дослідженні електромагнітних явищ.

 

 Фарадей Майкл (22.09.1791-25.08.1867) - англійський фізик, член Лондонського  королівського товариства (1824), Петербурзької  АН (1830). Народився в Лондоні в  сім'ї коваля. З 12 років працював  рознощиком газет, потім підмайстром  в палітурні майстерні. Навчався  самостійно. У 1813 став асистентом  Г. Деві в Королівському інституті  в Лондоні, в 1825 - директором  лабораторії, змінивши на цій  посаді Г. Деві, в 1833-62 - професор  кафедри хімії. 

 

 Роботи в області  електрики, магнетизму, магнітооптики,  електрохімії. Відкрите Фарадеєм  обертання магніту навколо провідника  з струмом і провідника зі  струмом навколо магніту стало  основою лабораторної моделі  електродвигуна і наочно виявило  зв'язок між електричними й  магнітними явищами, що в підсумку  призвело до відкриття та встановлення  законів електромагнітної індукції. Відкрив у 1835 екстратокі при  замиканні і розмиканні. Довів  тотожність різних видів електрики: "тварини", "магнітного", гальванічного,  термоелектрики та електрики,  що виникає при терті. У результаті  робіт з дослідження природи  електричного струму в розчинах  кислот, солей і лугів відкрив  у 1833 закони електролізу (закони  Фарадея), які були важливим аргументом  на користь дискретності електрики.  Ввів поняття рухливість, катод,  анод, іони, електроліз, електроліти,  електроди, іеобрел вольтметр.  У 1845 відкрив діамагнетизм, в 1847 - парамагнетизм. Виявив обертання  площини поляризації світла в  магнітному полі (ефект Фарадея), що стало доказом зв'язку світла  з магнетизмом і поклало початок  магнітооптика.