Важнейшие открытия в магнетизме

Фарадей первым ввел понятие  поля, представление об электрических  и магнитных силовых линиях. Идея поля кардинально изменило существовавшее у Ньютона и его последователей представление о дальнодействии и пространстве, как только пассивном  вместилище тел и электрических  зарядов. В 1837 обнаружил влияние  диэлектриков на электрическое взаимодействие и ввел понятие диэлектрической  проницаемости. Высказал идею о распространении  электрического и магнитного взаимодействий через промежуточную среду, мысль  о единстве сил природы (различных  видов энергии) и их взаимном превращении.

В его честь названа  единица емкости - фарада.

Первые исследования в  области электричества были в  основном сосредоточены на активных элементах - источниках электродвижущей  силы, а пассивным проводникам  практически не уделялось внимания. Ом провел систематические экспериментальные  и теоретические исследования проводимости и сформулировал в 1827 г. свои законы в интегральной и дифференциальной формах, введя понятия и точные определения электродвижущей силы, электропроводности и силы тока.

Ом Георг Симон (16.03.1789-06.07.1854) - немецкий физик, член-корреспондент  Берлинской (1839), член Туринской и  Баварской АН, Лондонского королевского общества (1842), медаль Копли (1841). Родился  в Эрлангене в семье слесаря. Окончил Эрлангенский университет, доктор философии (1811). Преподавал математику, затем физику в ряде гимназий. С 1833 - профессор Нюрнбергской высшей политехнической  школы (с 1839 - ректор), 1849-52 - Мюнхенского  университета.

Работы в области электричества, акустики, оптики. В 1826 экспериментально открыл основной закон электрической  цепи (закон Ома), а в 1827 вывел его  теоретически. Установил, что ухо  воспринимает как простой тон  только звук, вызванный простым гармоническим  колебанием, остальные звуки - как  основной тон и добавочные - обертона (акустический закон Ома).

Его именем названа единица  электрического сопротивления - ом.

При этом Ом проводил свои работы, используя аналогию электрического тока с тепловыми потоками французского математика и физика Жана Батиста  Жозефа Фурье (1768-1830) между двумя  телами с различной температурой. Однако его работы в течение десяти лет оставались незамеченными. Одновременно с опытами Ома проводили исследования во Франции Антуан Сезар Беккерель (1788-1878), который определил зависимость  сопротивления от длины и сечения  проводника, и в Англии - Питер  Барлоу (1776-1862), подтвердивший постоянство  тока во всей цепи. Ряд частных законов, полученных в это время независимо от Ома, в 1845 г. обобщил Кирхгоф в  своих правилах.

Большой толчок к проведению электрических измерений дало первое практическое использование электрических  явлений в телеграфии. Создание воздушного и подводного телеграфов потребовало  разработки новых методов электрических  измерений. В 1840 г. Уитстон предложил  свой метод моста для точных измерений  сопротивлений. Гаусс заложил основы электромагнитной метрики, взяв за основные три механические единицы (времени, длины и массы) и выразив через  них все остальные, а также  разработав ряд новых приборов.

Гаусс Карл Фридрих (30.04.1777-23.02.1855) - немецкий математик, астроном и физик, член Лондонского королевского общества (1804), Парижской (1820) и Петербургской  АН (1824). Родился в Брауншвейге  в семье водопроводчика. Учился в 1795-98 в Гёттингенском университете, в 1799 получил доцентуру в Брауншвейге, с 1807 - профессор Гёттингенского университета и директор астрономической обсерватории.

Работы во многих областях физики. В 1832 создал абсолютную систему  мер, в 1833 совместно с В.Вебером  построил первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 в сочинении "Общая  теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально  квадрату расстояния" изложил основы теории потенциала (теорема Остроградского-Гаусса). В 1840 в работе "Диоптрические исследования" разработал теорию построения изображений  в сложных оптических системах. В 1845 пришел к мысли о конечности распространения электромагнитных взаимодействий. В 1829 сформулировал  принцип наименьшего принуждения (принцип Гаусса). Одним из первых высказал в 1818 гипотезу о существовании  неевклидовой геометрии.

Его именем названа единица  магнитной индукции - гаусс.

Работу по метрологии продолжили немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804-1891) и Максвелл. В итоге  появилась идея создания единой системы  мер и в 1881 г. Международный конгресс в Париже установил международные  единицы измерения.

Огромный вклад в развитие электромагнетизма был сделан работами Майкла Фарадея. Одной из ведущих  философских идей физики 19 века было то, что все физические явления  представляют собой проявления одной  и той же сущности. Следуя этому  принципу, в 1831 г. Фарадей обнаружил  явление электромагнитной индукции. Он предложил теорию этого явления, впервые введя понятия линий  магнитных сил и электромагнитного  поля и высказав идею о распространении  магнитных возмущений во времени. В 1833 г. американский физик Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил явление самоиндукции, а российский ученый Эмиль Христианович Ленц (1804-1865) сформулировал в 1834 г. свое правило о направлении индукционных токов.

В середине 40-х годов немецкими  учеными Францем Эрнстом Нейманом (1798-1895), Вебером и Гельмгольцем были построены теории индукции, учитывающие, что взаимодействие электрических  зарядов зависят как от расстояния между ними, так и от скоростей.

В 1833-34 г.г. Фарадей установил  основные законы электролиза, положив  начало электрохимии. Им также было экспериментально доказано, что электрическое  действие распространяется не только по прямой, но и по кривым линиям, а  промежуточная среда существенно  влияет на это действие. Таким образом, он подтверждал, что взаимодействие двух тел осуществляется через посредство среды, а не происходит в соответствии с теорией дальнодействия на расстоянии, что использовалось в наиболее простых  моделях для математического  истолкования явлений.

В результате опытов со сферическими конденсаторами с различными изолирующими прокладками Фарадей сформулировал  свою теорию диэлектрической поляризации, которая была развита итальянским  физиком Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791-1863).

В 1845 г. при пропускании  света через электромагнит Фарадей  обнаружил поворот плоскости  поляризации, что он объяснил присутствием магнитных полей в свете. Также  им было обнаружено явление диамагнетизма.

Помимо многочисленных экспериментальных  открытий, в конце жизни Фарадей  в борьбе с атомистическими представлениями  о непрерывности только пространства выдвигает оригинальную идею: развивая концепцию Босковича, вводит понятие  поля. Он говорит, что материя не только взаимопроницаема, но и каждый ее атом простирается на всю солнечную  систему, сохраняя свой собственный  центр.

Также велико практическое значение открытий Фарадея, т.к. все машины современной  электротехнической промышленности - генераторы (первый генератор тока был создан самим Фарадеем), трансформаторы, электромоторы - основаны на электромагнитной индукции. Сюда же следует отнести  и телефон.

К 60-м годам 19 века электродинамика  благодаря работам Неймана, Вебера и Гельмгольца считалась уже  окончательно сформировавшейся наукой с четко определенными границами. Однако оригинальные идеи Фарадей заинтересовали Максвелла, и он задумал придать  им математическую форму. Введя понятия  токов смещения и напряженности  поля, Максвелл сначала создал электродинамику  диэлектриков, используя теорию Моссотти. Распространяя эти представления  с поправками на магнетизм, он создает  и теорию электромагнитной индукции. В итоге все построение сводится к знаменитым шести уравнениям Максвелла. Эти уравнения устанавливают  непрерывность явлений, определяют изменения поля в отличие от ньютоновской модели, где законы определяют изменения  поведения материальных частиц. Они  связывают события, смежные в  пространстве и во времени. Многие усматривали  ряд логических ошибок и непоследовательностей  при построении Максвеллом теории. Но она очень многое объясняла, и  к концу 19 века крупнейшие физики придерживались мнения, которое высказал Герц: нужно  принять уравнения Максвелла  как гипотезу, постулаты, на которые  и будет опираться вся теория электромагнетизма.

Герц Генрих Рудольф (22.02.1857-01.01.1894) - немецкий физик, член-корреспондент  Берлинской АН (1889), член ряда академий наук и научных обществ, награды  Венской, Парижской, Туринской АН, Лондонского  королевского общества и др. Родился  в Гамбурге в семье адвоката. Окончил  Берлинский университет, степень доктора (1880) и был ассистентом у Г.Гельмгольца. С 1883 - приват-доцент Кильского университета, в 1885-89 - профессор Высшей технической  школы в Карлсруэ, с 1889 - Боннского  университета.

Основные работы относятся  к электродинамике и механике. В 1887 в работе "Об очень быстрых  электрических колебаниях" предложил  удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения (резонатор  Герца), впервые разработав теорию вибратора, излучающего электромагнитные волны  в пространстве. Экспериментально доказал  существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном  пространстве в соответствии с теорией  Максвелла. Придал уравнениям электродинамики  симметричную форму, которая наглядно демонстрировала полную взаимосвязь  между электрическими и магнитными явлениями (электродинамика Максвелла-Герца). В 1887 наблюдал внешний фотоэффект, заметив, что электрический разряд более  интенсивен при облучении электродов ультрафиолетовым светом. В работе "О прохождении катодных лучей  через тонкие металлические слои" (1891) открыл проницаемость металлов для катодных лучей, заложив основу для изучения этих лучей и строения вещества. Построил механику с введением  неголономных связей, трактовкой механической системы как системы с большим  числом степеней свободы и применением  принципа кратчайшего пути или наименьшей кривизны.

Его именем названа единица  частоты - герц.

Следуя своим уравнениям и идеям Фарадея о природе  света, Максвелл строит электромагнитную теорию света, описывающую распространение  поперечных электромагнитных волн. Дополнительные предпосылки к этому были также  получены Вебером и Кирхгофом  при определении скорости распространения  электромагнитной индукции по проводу: она оказалась равной скорости света. К этому времени были обнаружены и исследованы колебания электрического разряда конденсатора в цепи с  индукционной катушкой, а в 1884 г. Герц показал, что эти колебания вызывают в пространстве появление волн, состоящих  из поляризованных перпендикулярно  друг к другу электрических и  магнитных колебаний. Он также обнаружил  отражение, преломление и интерференцию  таких волн. Важным подтверждением электромагнитной теории были опыты  русского физика Петра Николаевича  Лебедева (1866-1912), который в 1900 г. измерил  величину светового давления в полном соответствии с теорией Максвелла.

Итальянский физик Аугусто  Риги (1850-1920) развил эти работы и их результаты обобщены им в 1897 г. в книге "Оптика электрических явлений", само название которой говорит о  революционности такого вывода в  развитии физики.

Одним и самых замечательных  результатов практического применения электромагнитных волн явилось изобретение  в 1895 г. радиотелеграфии Поповым  и итальянским исследователем Гульельмо  Маркони (1874-1937).

Попов Александр Степанович (16.03.1859-13.01.1906) - русский физик и  электротехник. Родился в п. Турьинские Рудники (Екатеринбургская губерния) в  семье священника. Окончил Петербургский  университет (1882). В 1883-1901 преподавал в  военных заведениях Кронштадта. С 1901 - профессор Петербургского электротехнического  института (с 1905 - ректор).

Работы в области электротехники и радиотехники. В 1888 повторил опыты  Г.Герца и в 1889 впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов. В 1894 сконструировал генератор электромагнитных колебаний и приемник с чувствительным элементом - когерером, а также изобрел первую приемную антенну. Установил, что приемник антенны реагирует на грозовые разряды, и создал грозоотметчик. 7 мая 1895 продемонстрировал свой грозоотметчик на заседании физического отделения Российского физико-химического общества и высказал мысль о возможности его применения для передачи сигналов на расстояние. На заседании 24 марта 1896 продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м. Несколько позже Г.Маркони создал подобные приборы, провел с ними эксперименты и положил начало широкому применению радиосвязи, а в 1909 получил за эти работы Нобелевскую премию, когда Попов уже умер. В 1897 обнаружил отражение электромагнитных волн от предметов (кораблей), находящихся на пути их распространения, что было положено в основу радиолокации.