Експериментальне обгрунтування електродинамічної теорії Максвелла




Скачати 302,3 Kb.
Дата конвертації01.02.2017
Розмір302,3 Kb.
Міністерство освіти і науки України

Рівненський державний гуманітарний університет


Реферат
на тему:
«Експериментальне обгрунтування електродинамічної теорії Максвелла»

Виконала:

студентка V-го курсу

фізико–технологічного

факультету

групи ФМХ-51

Пахарчук О. В.


Перевірив:

Сідлецький В. О.

Рівне–2011
План


  1. Вступ

  2. Життєвий шлях Дж. К. Максвелла

  3. Електромагнітна теорія Дж. К. Максвелла

  4. Вчення М. О. Умова про рух енергії

  5. Праці вчених, які підтверджують теорію електродинаміки Максвелла.

  6. Досліди Г. Герца

  7. Відкриття радіо О. С. Попова

  8. Література


Вступ

Для фізики початку XIX ст. не існувало поняття про поле як реального середовища, що є носієм певних сил. Але в першій половині XIX ст. почалося становлення континуальної, польовий фізики. Одночасно із виникненням хвильової теорії світла сформувалася абсолютно нова парадигма фізичного дослідження - польова концепція у фізиці. Тут особлива заслуга належить великому англійському фізику М. Фарадею.

Експериментальні відкриття Фарадея були добре відомі, і він ще при житті здобув величезний авторитет і славу. Однак до його теоретичних поглядів сучасники в кращому випадку залишалися байдужими. Першим звернув на них серйозну увагу Дж. К. Максвелл. Він сприйняв ці уявлення, розвинув їх і побудував теорію електромагнітного поля.

Вироблене в оптиці поняття «ефір» і сформульоване в теорії електричних і магнітних явищ поняття «електромагнітне поле» спочатку зближуються, а потім, вже на початку XX ст., із створенням спеціальної теорії відносності, повністю ототожнюються.

Таким чином, поняття поля виявилося дуже корисним. Будучи спочатку лише допоміжною моделлю, це поняття стає у фізиці XIX ст. все більш і більш конструктивною абстракцією. Вона дозволяла зрозуміти багато фактів, вже відомі в області електричних та магнітних явищ, і передбачати нові явища. З часом ставало все більш очевидним, що цій абстракції відповідає певна реальність. Поступово поняття поля завоювало центральне місце у фізиці і збереглося в якості одного з основних фізичних понять.


Життєвий шлях Дж. К. Максвелла.

Джеймс Клерк Максвелл народився в Единбурзі 13 червня 1831. Незабаром після народження хлопчика батьки відвезли його в свій маєток Гленлер. Тут жили і померли його батьки, тут довго жив і похований він сам. Коли Джеймсу було вісім років, до дому прийшло нещастя: тяжко захворіла його мати і незабаром померла. Тепер єдиним вихователем Джеймса став батько, до якого він на все життя зберіг почуття ніжної прихильності і дружби. Джон Максвелл був не тільки батьком і вихователем сина, а й його найвірнішим другом. Незабаром настав час, коли хлопчикові треба було починати вчитися. Спочатку запрошували вчителів додому. Але шотландські домашні вчителі були такими ж грубими і неосвіченими, як і їхні англійські колеги, з таким сарказмом і ненавистю описані Діккенсом. Тому вирішено було віддати Джеймса в нову школу, яка мала гучну назву Единбурзька академія. Хлопчик поступово втягнувся в шкільне життя. Він став з великим інтересом ставитися до уроків. Особливо йому подобалася геометрія. Вона на все життя залишилася одним з найсильніших захоплень Максвелла. Геометричні образи і моделі зіграли величезну роль у його науковій творчості. З неї почався науковий шлях Максвелла. Максвелл закінчив академію в одному з перших випусків. На прощання із школою він склав гімн Единбурзькій академії, який дружно і з захопленням співали її вихованці. Тепер перед ним відчинилися двері Единбурзького університету. Будучи студентом, Максвелл виконав серйозне дослідження з теорії пружності, що отримало високу оцінку фахівців. І тепер перед ним постало питання про перспективу його подальшого навчання в Кембриджі. Найстаршим коледжем Кембриджа був заснований у 1284 році коледж св. Петра (Пітерхауз), а найбільш знаменитий - коледж св. Трійці (Трініті-коледж), заснований в 1546 році. Славу цього коледжу створив його знаменитий вихованець Ісаак Ньютон. Пітерхауз і Трініті-коледж і були послідовно місцем перебування в Кембриджі молодого Максвелла. Після короткого перебування в Пітерхаузі Максвелл перевівся в Трініті-коледж. Обсяг знань Максвелла, потужність його інтелекту і самостійність мислення дозволили йому досягти високого місця у своєму випуску. Він зайняв друге місце.

Молодий бакалавр був залишений в Трініті-коледжі в якості викладача. Але його хвилювали наукові проблеми. Крім його старого захоплення геометрією і проблемою квітів, якими він почав займатися ще в 1852 році, Максвелл зацікавився електрикою.

20 лютого 1854 Максвелл повідомляє Томсону про свій намір «атакувати електрику». Результатом «атаки» був твір "Про фарадееві силові лінії» - перше з трьох основних праць Максвелла, присвячених вивченню електромагнітного поля. Слово «поле» вперше з'явилося в тому самому листі Томсону, але ні в цьому, ні в подальшому творі, присвяченому силовим лініям. Максвелл його не вживає. Це поняття знову з'явиться тільки в 1864 році в роботі «Динамічна теорія електромагнітного поля».

Восени 1856 Максвелл вступив на посаду професора натуральної філософії Марішаль-коледжу в Абердіні. Кафедра натуральної філософії, тобто кафедра фізики в Абердіні, до Максвелла, по суті справи, не існувала, і молодому професорові потрібно було організовувати навчальну та наукову роботу з фізики. Перебування в Абердіні ознаменувався важливою подією і в особистому житті Максвелла: він одружився на дочці голови Марішаль-коледжу Даніеля Дьюара Кетрін Мері Дьюар. Відбулася ця подія в 1858 році. З цього часу і до кінця життя подружжя Максвелл проходили свій життєвий шлях рука об руку.

У 1857-1859 роках вчений провів свої розрахунки руху кілець Сатурна. Він показав, що рідке кільце при обертанні зруйнується що виникають у ньому хвилями і розіб'ється на окремі супутники. Максвелл розглядав рух кінцевого ряду таких супутників. Важкі математичні дослідження принесло йому премію Адамса і славу першокласного математика. Премійовані твір було видано в 1859 році Кембриджським університетом. Від вивчення кілець Сатурна цілком природним був перехід до розгляду рухів молекул газу. Абердінскій період життя Максвелла закінчився виступом його на зборах Британської асоціації 1859 з доповіддю «Про динамічну теорію газів». Цей документ поклав початок багаторічним і плідним дослідженням Максвелла в області кінетичної теорії газів і статистичної фізики. Так як кафедру, де працював Максвелл, закрили, вченому довелося підшукувати нову роботу. У 1860 році Максвелла обирають професором натуральної філософії Кінг-коледжу в Лондоні. Лондонський період ознаменувався публікацією великої статті «Пояснення до динамічної теорії газів», яка була опублікована в провідному англійською фізичному журналі «Філософський журнал» в 1860 році. Цією статтею Максвелл зробив величезний внесок у нову галузь теоретичної фізики - статистичну фізику. Засновниками статистичної фізики в її класичній формі вважаються Максвелл, Больцман і Гіббс.

Літо 1860 перед початком осіннього семестру в Лондоні подружжя Максвелл провели в родовому маєтку Гленлер. Проте відпочити і набратися сил Максвеллу не вдалося. Він захворів віспою у важкій формі. Лікарі побоювалися за його життя. Але надзвичайне мужність і терпіння відданою йому Кетрін, яка робила все, щоб виходити хворого чоловіка, допомогли їм здобути перемогу над страшною хворобою. Таким важким випробуванням почалася його лондонська життя. У цей період свого життя Максвелл опублікував велику статтю про квіти, а також роботу «Пояснення до динамічної теорії газів». Але головна праця його життя був присвячений теорії електрики. Він публікує дві основні роботи по створеній ним теорії електромагнітного поля: «Про фізичні силові лінії» (1861-1862) і «Динамічна теорія електромагнітного поля» (1864-1865). За десять років Максвелл виріс у великого вченого, творця фундаментальної теорії електромагнітних явищ, що стала поряд з механікою, термодинамікою та статистичною фізикою одним з підвалин класичної теоретичної фізики.

У цей же період життя Максвелл розпочав роботи по електричним вимірюванням. Він був особливо зацікавлений в раціональній системі електричних одиниць, так як створена ним електромагнітна теорія світла грунтувалася тільки на збігу відносини електростатичних і електромагнітних одиниць електрики зі швидкістю світла. Цілком природно, що він став одним з активних членів «Комісії одиниць» Британської асоціації. Крім того, Максвелл глибоко розумів тісний зв'язок науки і техніки, важливість цього союзу як для прогресу науки, так і для технічного прогресу. Тому з шістдесятих років і до кінця життя він невтомно працював в області електричних вимірювань. Напружене лондонське життя погано відбилося на здоров'я Максвела і його дружини, і вони вирішили пожити у своєму родовому маєтку Гленлер. Це рішення стало неминучим після важкого захворювання Максвелла в кінці літнього відпочинку 1865 року, який він, як звичайно, проводив у своєму маєтку. Максвелл залишив службу в Лондоні і п'ять років (з 1866 по 1871) прожив в Гленлері, виїжджаючи зрідка в Кембридж на іспити, і лише в 1867 році за порадою лікарів здійснив подорож до Італії. Займаючись у Гленлері господарськими справами, Максвелл не залишав наукових занять. Він напружено працював над головною працею свого життя «Трактатом з електрики і магнетизму», написав книгу «Теорія теплоти», важливу роботу про регулятори, ряд статей з кінетичної теорії газів, брав участь у зборах Британської асоціації. Творче життя Максвелла в селі тривала настільки ж інтенсивно, як і в університетському місті.

У 1871 році Максвелл видав у Лондоні книгу «Теорія тепла». Цей підручник користувався великою популярністю. Учений писав, що метою його книги «Теорія тепла» було виклад учення про теплоту «в тій послідовності, в якій воно розвивалося». Незабаром після виходу «Теорії тепла» Максвелл отримав пропозицію зайняти знову організовану кафедру експериментальної фізики в Кембріджі. Він погодився і 8 березня 1871 був призначений кавендішським професором Кембриджського університету.

У 1873 році виходять «Трактат з електрики і магнетизму» (у двох томах) та книга «Матерія і рух». «Матерія і рух» - це невелика книжка, присвячена викладу основ механіки. «Трактат з електрики і магнетизму» - головна праця Максвела і вершина його наукової творчості. У ньому він підвів підсумки багаторічної роботи з електромагнетизму, що почалася ще на початку 1854 року. Передмова до «Трактату» датована 1 лютого 1873. Дев'ятнадцять років працював Максвелл над своєю основною працею! Максвелл розглянув всю суму знань з електрики і магнетизму свого часу, починаючи з основних фактів електростатики і кінчаючи створеної ним електромагнітної теорії світла. Він підвів підсумки боротьби теорій дальнодії і близькодії, що почалася ще за життя Ньютона, присвятивши останній розділ своєї книги розгляду теорій дії на відстані. Максвелл не висловився відкрито проти існуючих до нього теорій електрики; він виклав фарадеевскую концепцію як рівноправну з пануючими теоріями, але весь дух його книги, його підхід до аналізу електромагнітних явищ були настільки нові і незвичайні, що сучасники відмовлялися зрозуміти книгу.

У знаменитому передмові до «Трактату» Максвелл так характеризує мету своєї праці: описати найбільш важливі з електромагнітних явищ, показати, як їх можна виміряти і «простежити математичні співвідношення між вимірюваними величинами». Закони механіки Максвелл вважає основними законами природи. Не випадково тому в якості фундаментальної передумови до основних своїм рівнянь електромагнітної теорії він викладає основні положення динаміки. Але разом з тим Максвелл розуміє, що теорія електромагнітних явищ - це якісно нова теорія, не зводиться до механіки, хоча механіка і полегшує проникнення в цю нову галузь явищ природи. Головні висновки Максвелла зводяться до наступного: змінне магнітне поле, що розпочинається змінюється струмом, створює в навколишньому просторі електричне поле, яке в свою чергу порушує магнітне поле, і т.д. Мінливі електричні та магнітні поля, взаємно породжуючи один одного, утворюють єдине змінне електромагнітне поле - електромагнітну хвилю. Він вивів рівняння, що показують, що магнітне поле, створюване джерелом струму, поширюється від нього з постійною швидкістю. Виникнувши, електромагнітне поле поширюється в просторі із швидкістю світла 300000 км/с, займаючи все більший і більший обсяг. Д. Максвелл стверджував, що хвилі світла мають ту ж природу, що і хвилі, які виникають навколо проводів, в якому є змінний електричний струм. Вони відрізняються один від одного тільки завдовжки. Дуже короткі хвилі і є видиме світло.



У середині сімдесятих була опублікована робота Максвелла «Про динамічні доказі молекулярної будови тіл», що представляє важливе доповнення до його «Теорії тепла» і його робіт з кінетичної теорії газів. У 1874 році він починає велику історичну роботу: вивчення наукової спадщини вченого XVIII століття Генрі Кавендіша і готує її до друку. Після досліджень Максвелла стало ясно, що Кавендіш задовго до Фарадея відкрив вплив діелектрика на величину електроємності і за 15 років до Кулона відкрив закон електричних взаємодій. Роботи Кавендіша з електрики з описом експериментів зайняли великий том, що вийшов в 1879 році під назвою «Статті з електрики високоповажного Генрі Кавендіша». Це була остання книга Максвелла, випущена за його життя. 5 листопада 1879року Джеймс Максвелл помер.
Електромагнітна теорія Дж. К. Максвелла.

Фундаментальні дослідження М. Фарадея, Е. X. Ленца та інших вчених у галузі електромагнетизму, ідеї Фарадея про зв'язок між електричними i магнітними полями, його теорія — модель електромагнітного поля були тією необхідною ланкою в розвитку науки, на основі якої була завершена теоретична розробка класичної електродинаміки, створена теорія електромагнітного поля i сформульована електромагнітна теорія світла. Це здійснив англійський фізик Дж. Максвелл (1831—1879). Уже в першій праці «Про фарадеївські силові лінії», написаній у 1855—1856 pp., Максвелл зробив спробу викласти уявлення Фарадея за допомогою математики i розглянути за допомогою методу силових трубок Фара­дея електричні й магнітні взаємодії. У 1861—1862 pp. надруковано ряд статей Максвелла, які увійшли до його другої праці з тeopiї електромагнетизму «Про фізичні силові лінії», де він розвиває свої висновки з першої праці і показує, що електротонічний стан запропонований Фарадеєм, є не що інше як магнітне поле. У створюваній новій тeopiї Максвелл висунув на перший план роль середовища i поставив перед собою мету знайти механічну модель, яка розкривала б поведінку цього середовища в магнітних взаємодіях. За допомогою побудованої ним моделі він приходить до знаменитих рівнянь. Система рівнянь Максвелла узагальнила ідеї Фарадея i розкрила взаємозв'язок електричних та магнітних полів. 3 рівнянь Максвелла випливав надзвичайно важливий висновок, передбачений ще Фарадеем: змінне електромагнітне поле поширюється з скінченною швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі. Отже, це свідчило про існування електромагнітних хвиль з уciма науковими і технічними наслідками цього відкриття.

У 1873 р. вийшла в світ знаменита праця Д. Максвелла «Трактат з електрики i магнетизму», в якій він, підсумувавши свої дослідження в галузі електромагнітного поля, показав, що світло є не що інше, як електромагнітні хвилі, відмітив тісний зв'язок між оптичними і електромагнітними властивостями середовища, вперше запровадив поняття про струм зміщення. При цьому він зазначив, що струм зміщення, який виникає в діелектрику між обкладинками конденсатора, утворює магнітне поле. Слід зауважити, що основну ідею про електромагнітну природу світла висловив Максвелл ще в 1865 р. До заслуг Максвелла слід віднести i те, що він перший дослідив залежність показника заломлення світла від діелектричної проникності середовища, тобто вивів співвідношення , а також установив наявність обертання площини поляризації світла в електромагнітному полі.

Teopiя Максвелла, яка завершила розробку класичнoї електродинаміки, створила наукові основи електромагнітного поля i відкрила електромагнітну природу світла, фізики спочатку зустріли недовірливо, i остання чверть XIX ст. пройшла по суті під лозунгом експериментальної і теоретичної перевірки теорії Максвелла. Справа в тому, що основні посилання i висновки теорії не були достатньою мірою підтверджені експериментально.

Одна з перших проблем, яка випливала з теорії Максвелла i стверджувала, що коли є нерозривний зв'язок між електричними i магнітними явищами, то повинен бути такий самий зв'язок між електростатичними i електромагнітними системами одиниць, тобто що електродинамічна стала (відношення електростатичних i електромагнітних одиниць) повинна дорівнювати швидкості світла у вакуумі, вимагала своєї експериментальної перевірки. Важливі попередні дослідні результати по визначенню сталої с в рівняннях Максвелла належать О. Г. Столєтову, який розробив досить точний метод визначення відношення цих одиниць і вперше встановив, що воно дорівнює швидкості світла с. Це було чи не одне з перших доведень справедливості теоpiї Максвелла. За це дослідження в 1881 р. О. Г. Столєтову на Міжнародному конгресі електриків в Парижі був присуджений почесний диплом.


Вчення М. О. Умова про рух енергії.

Велике значення для розв'язання питання про рух i поширення енергії електричного та магнітного полів, про перенесення цієї енергії від однієї точки середовища до іншої мала докторська дисертація М. О. Умова (1846—1915) під назвою «Рівняння руху енергії в тілах», опублікована в рік виходу «Трактату про електрику i магнетизм» Дж. Максвелла.

Вихованець Московського університету, М. О. Умов з 1871 р. працював доцентом, а з 1875 р. — професором Новоросійського (тепер Одеського) університету. У 1893 р. він повернувся в Московський університет, де і очолив після О. Г. Столєтова кафедру фізики.

Своєю працею «Рівняння руху енергії в тілах», яка була результатом узагальнення i дальшого розвитку його попередніх праць, М. О. Умов зробив важливий крок у напрямі поглиблення теорії поля, запровадивши поняття про pyx i потік енергії. Виходячи з закону збереження енергії, він вивів рівняння руху енергії в середовищі. Якщо позначити об'ємну густину eнepгії в даній точці середовища через , а складові швидкості руху енергії в цій точці через lx, lv, lz, то убуток густини eнергії в точці з часом буде визначатися рівнянням



, або

де   вектор густини потоку енергії. «Цей вираз, — як зазначає Умов,— аналогічний виразу закону збереження речовини в гідродинаміці, є виразом елементарного закону збереження енергії в тілах». 3 цього виразу одержується зв'язок між кількістю енергії, віднесеною до одиниці часу, i зміною кількості енергії в середовищі. Цей зв'язок виражається теоремою Умова, згідно з якою , . де потрійний інтеграл поширюється на весь об'єм середовища.

Вектор визначає потік енергії, що протікає за одиницю часу через одиницю площі, перпендикулярну до цього вектора. Це i є знаменитий вектор Умова. Окремий випадок вектора Умова для електромагнітного поля був розглянутий через десять років англійським фізиком Д. Пойнтінгом (1852—1914) в роботі «Про перенесення енергії в електромагнітному полі» (1884). Д. Пойнтінг вивів вираз для густини потоку енергії, що переноситься електромагнітним полем.



Математичний вивід теореми Умова — Пойнтінга i її застосування до випадку перетворення енергії в провіднику, по якому тече струм, i до випадку електромагнітнoї хвилі увійшли в підручники з електрики, а вектор Умова — Пойнтінга тепер загальноприйнятий.

У дисертації М. О. Умов, поряд з розвитком електродинамічної теорії, розкрив фізичний зміст потенціальної енергії, підкресливши, що потенціальна енергія є не що інше, як кінетична енергія прихованих має. М. О. Умову належать важливі дослідження питань земного магнетизму, явищ дифузії водних розчинів i проблем оптики каламутних середовищ та ін. У 1875 р. він закінчив працю «Про стаціонарний рух електрики на провідних поверхнях довільного виду», в якій узагальнив часткові розв'язання цієї проблеми, дані Кірхгофом, Больцманом та іншими вченими. М. О. Умов розв'язав у загальному вигляді питання про розподіл електричних струмів на будь-яких поверхнях, звівши цю проблему до питання про розподіл струмів на площині.
Праці вчених, які підтверджують теорію електродинаміки Максвелла.

В експериментальному підтвердженні теорії електромагнітного поля, розробленої Дж. Масквеллом, видатні праці належали М. М. Шіллеру. Уже в 1869 р., через рік після закінчення Московського університету, М. М. Шіллер виступив на другому з’їзді російських природодослідників i лікарів з доповіддю про вимушені змінний струми в розімкнутому колі. Проведені експериментальні роботи по дослідженню електричних коливань М. М. Шіллер в 1874 р. описав у магістерській дисертації «Експериментальне дослідження електричних коливань». У ній для перевірки формули , що випливає з теорії Максвелла, він вперше застосував метод електричних коливань до визначення діелектричних коефіцієнтів ряду твердих діелектриків, а також вперше виявив залежність діелектричної проникності від частоти електромагнітних коливань. Паралельно, удосконаливши метод Гельмгольца для визначення періоду коливань, М. М. Шіллер експериментально довів справедливість формули У. Томсона, одержаної в 1853 р., що встановлювала залежність періоду власних коливань контуру від його ємності та індуктивності. У докторський дисертації «Електромагнітні властивості кінців розімкнутих струмів i діелектриків» (1876) М. М. Шіллер численними експериментами довів, хоч i опосередковано, одне з найважливіших положень теорії Максвелла — існування струмів зміщення, відмічаючи, що в електродинамічному відношенні немає кінців струмів i діелектрики діють як провідники.

Слід сказати, що Дж. Максвелл у своїй останній пpaцi «Електрика в елементарній обробці» (1881), яка була дальшим розвитком теорії електромагнітного поля, наводить результати робіт М. М. Шіллера, Л. Больцмана i П. О. Зилова (1850—1921) по визначенню діелектричної проникності різних речовин. Зокрема, він зупиняється на експериментальних дослідженнях Л. Больцмана по визначенню діелектричних проникності газів i кристалічних твердих тіл, на роботах М. М. Шіллера по вимірюванню діелектричної проникності твердих тіл у змінних полях i особливо на дослідженнях П. О. Зилова, який у 1877 р. розробив оригінальний метод для визначення діелектричних проникності рідин i в 1877—1880 pp. експериментально підтвердив висновки теорії електромагнітного поля щодо ролі середовища в електродинамічних взаємодіях.



Перед тим як перейти до аналізу класичних дослідів Г. Герца, яка принесли остаточний тріумф електромагнітній тeopії Дж. Максвелла, варто згадати ще деякі праці, що вийшли в цей період у Pocії. Так, у 1873 р. вийшла в світ праця професора Новоросійського (Одеського) університету Ф. Н. Шведова (1840—1905) «Про електричні промені та закони ix поширення i відбиття на пластинах, які проводять електричний струм». В ній була висловлена ідея про аналогію між електричними i світловими явищами, яка в наш час набула особливого значення у зв'язку з розвитком електронної оптики. У 1893 р. в магістерській дисертацій викладача, згодом професора Харківського університету О. П. Грузинцева (1851—1919), яка називалась «Електромагнітна теорія світла», було викладено вчення Максвелла і досліді Герца i на їх основі розглянуто поширення хвиль в однорідних та анізотропних середовищах, включаючи дослідження подвійного заломлення, поляризації і дисперсії.

В працях професора Київського університету ім. И. Косоногова (1866—1922), опублікованих під назвою «До питання про діелектрики» (1901), було розроблено новий метод вимірювання діелектричної проникності неполярних рідин для сантиметрового діапазону хвиль, а також глибоко проаналізовано теорію електричних коливань.

Важливо відмітити, що дослідам Г. Герца передувала також серія експериментальних i теоретичних досліджень електричних коливань. Вперше про електричний процес коливного характеру згадує в 1842 р. в «Працях Американського філософського товариства» американський фізик Д.  Генрі (1797—1878), який, досліджуючи розрядну дію лейденських банок, прийшов до висновку, що розряд лейденської банки складається не з одного переходу електрики з однієї обкладки на другу, а з цілої cepiї швидкозатухаючих коливань. До цього ж висновку прийшов у 1847 p. i Г. Гельмгольц, який у праці «Про збереження сили» довів, що індукція електричних струмів може бути математично виведена з електромагнітних явищ Ерстеда i електродинамічних явищ Ампера, при врахуванні закону збереження енергії. У своїй теоретичній праці «Про перехідні електричні струми» (1853) У. Томсон доповнив теорію Г. Гельмгольца i вивів з теорії потенціалу формулу Томсона, згідно з якою період коливань осцилюючого розряду пропорційний квадратному кореню з добутку ємності конденсатора на його коефіцієнт самоіндукції.

У 1864 р. Г. Кірхгоф сформулював теорії коливного розряду, а в 1869 р. Г. Гельмгольц довів, що електричі коливання можна одержати i в індукційній котушці, кінці якої з'єднані з обладками конденсатора. Експериментально підтвердив ці теоретичні положення в 1858—1862 pp. В. Феддерсен (1832—1918) у працях «Матеріали до пізнання електричної іскри» i «Про електричний хвильовий рух», в яких він, зокрема, довів, що коли дві обкладки конденсатора з'єднані невеликим опором, то розряд має коливний характер. Завершив експериментальну перевірку теорії розряду конденсатора в 1874 р. М. М. Шіллер.
Досліди Г. Герца.

До 80-х років XIX ст., тобто до часу, коли німецький фізик Г. Герц (1857—1894) приступив до своїх знаменитих експериментальних досліджень для підтвердження електромагнітної теорії поля, у фізиці не тільки було завершено класичну електродинаміку, сформульовано електромагнітну теорію поля i встановлено електромагнітну природу світла, а і виконано експериментальні дослідження для підтвердження деяких висновків i положень електромагнітної тeopiї. I все ж тільки досліди, виконані Г. Герцом у 1886—1889 pp., експериментально довели іонування електромагнітних хвиль, підтвердили висновки максвеллівської тeopil про те, що швидкість електромагнітних хвиль дорівнює швидкості світла, довели повну тотожність основних властивостей електромагнітних та світлових хвиль i тим самим підвели дослідну основу до теорії Максвелла. Будучи прибічником матеріалістичних поглядів М. Фарадея i Д. Максвелла, які відкидали дію на відстаі, Г. Герц з 1887 р., повторюючи досліди свого вчителя Г. Гельмгольца з двома індукційними котушками, на основі рівнянь Максвелла розробив теорію відкритого вібратора, що випромінює електромагнітні хвилі. За допомогою «вібратора» i «приймача» він показав, що коливний розряд викликає в простоpi хвилі, які складаються з двох коливань — електричного i магнітного, поляризованих перпендикулярно одне до одного. Герц установив відбиття, заломлення, інтерференцію i поляризацію цих хвиль i показав, що всі дослідні факти повністю пояснюються теоpією Максвелла.

Досліджуючи поширення хвиль по проводах, Г. Герц розробив класичний cпociб вимірювання швидкості хвиль у прямолінійному провіднику. У 1890 р. він опублікував дві праці «Основні рівняння електродинаміки тіл, що перебувають у стані спокою» i «Основні рівняння електродинаміки рухомих тіл». Перша була присвячена рівнянням електродинаміки Максвелла, яким Г. Герц надав чіткої симетричної форми, що добре виявляє повну взаємність між електричними i магнітними діями. У другій праці він намагався сформулювати основні положення електродинаміки рухомих середовищ, виходячи з гіпотези, що ефір повністю захоплюється рухомими тілами. Розроблена ним електродинаміка суперечила багатьом дослідним фактам i зрештою була замінена електронною теорією, створеною нідерландським фізиком Г. Лоренцом (1853—1928). Слід сказати, що Г. Герц перший з ycпіхом застосував вектор Умова — Пойнтінга для обчислення потоку енергії, що випромінюється диполем у навколишній простір, i показав, що кількість енергії, яка передається вібратором, буде прямо пропорційна квадрату довжини диполя i обернено пропорційна кубу довжини хвилі, що генерується диполем. Це були відправні міркування в тeopiї антен i початків теоретичних основ радіотехніки.

Важливість дослідних результатів Г. Герца була підкреслена ним самим в таких словах: «Метою цих дослідів була перевірка основних гіпотез Фарадея — Максвелла, а результат дослідів є підтвердження основних гіпотез цієї теорії».

Дослідження Г. Герца відкрили існування вільного електромагнітного поля, і позачерговим завданням фізиків стала потреба генерувати це поле, виявляти його і керувати ним. Насамперед потрібно було створити нові типи генераторів, щоб за допомогою їх збуджувати електромагнітні хвилі все менших і менших довжин. Сам Г. Герц користувався хвилями см. Наступний крок у цьому напрямі зробив А. Рігі (1850–1920), який у 1893 р. одержав хвилі довжиною 10,6 см за допомогою створеного ним нового типу генератора. На ньому він перший спостерігав подвійне променезаломлення електромагнітних хвиль. Ці результати він опублікував у праці «Оптика електричних коливань» (1897). За допомогою власноручно сконструйованих мініатюрних вібратора i резонатора П. М. Лебедев у 1894 р. на IX з'їзді російських природодослідників продемонстрував досліди з одержання електромагнітних хвиль довжиною 6 мм. Використовуючи їx, він не тільки повторив yci досліди Г. Герца з відбиття, заломлення, дифракції, інтерференція, а і одержав явище подвійного заломлення цих хвиль у кристалічній сітці та поляризаційні явища. Отже, на початку 90-х років XIX ст. був доведений синтез електромагнетизму i оптики, повна тотожність електромагнітних i світлових хвиль. Перед наукою виникла нова проблема — використання електромагнітних хвиль для потреб телеграфа. Відомо, що сам Герц не вбачав у цій проблемі ніякого прогресу.
Відкриття радіо О. С. Поповим.

Розв'язати фундаментальне завдання — використання електромагнітних хвиль для передачі сигналів на відстань — вперше вдалося російському вченому О. С. Попову (1859—1906). О. С. Попов народився в м. Тур’їські Рудники Пермської губернії (тепер м. Краснотур'їнськ Свердловської області). Навчаючись на фізико-математичному факультеті Петербурзького університету, він багато уваги приділяв вивченню теоретичних основ нової галузі знань — електротехніки i особливо одержанню практичних навичок з монтажу i налагодження електричних станцій, систем електричного освітлення. О. С. Попов не залишився в університеті після його закінчення для підготовки до професорського звання, а прийняв пропозицію стати викладачем Мінних офіцерських класів у Кронштадті, де була належна матеріальна база для дослідних робіт з електрики i магнетизму. У вересні 1901 р. О. С. Попова обрано професором кафедри фізики Петербурзького електротехнічного інституту, а у вересні 1905 р.— ректором цього інституту. В дні революційних подій вiн відстоював інтереси революційної молоді, за що зазнавав репресій від царських чиновників. Здоров'я О. С. Попова різко погіршилося, i 12 січня 1906 року він помер.

Після появи в грудні 1888 р. у «Протоколах Берлінської академії наук» роботи Г. Герца «Про промені електричної сили», в якій були описані його експерименти з електромагнітними хвилями, О. С. Попов приступив до відтворення цих експериментів i в наступному році виступив в Кронштадті з лекцією на тему «Найновіші дослідження про співвідношення між світловими i електричними явищами», в якій вперше висловив думку про можливість використання електромагнітних хвиль для передачі сигналів на віддаль. Ця ідея стала провідною в науковій творчості О. С. Попова, який протягом 1890—1893 pp. не тільки неодноразово виступав з цією темою перед широкою науковою аудиторією Кронштадта, Петербурга, а і невтомно працював над питаннями виявлення електромагнітних хвиль. Скориставшись відкритою французьким фізиком Е. Бранлі властивістю металевого порошку проводити електричний струм під час дії на нього електромагнітних коливань і повідомленням англійського вченого О. Лоджа про застосування ним когерера Бранлі (трубка з насипаними в неї металевими ошурками) як покажчика електромагнітних, хвиль, О. С. Попов у 1894 р. зайнявся удосконаленням когерера для підвищення його чутливості. Детально дослідивши властивості різних металевих порошків, він створив досконаліші конструкції когерерів i для надання більшої чутливості і автоматичності в роботі приймальнoї установки застосував дзвінкове пристосування для автоматичного струшування когерера i реле.

Одержавши спочатку радіус дії створеного ним приймального апарата порядку кількох метрів, О. С. Попов дуже швидко збільшив його до 80 м. При цьому, виконуючи численні експерименти з цим приладом, він знайшов, що далекість його дії значно збільшується, якщо приєднати до когерера мідний дріт. Так була створена перша в світ приймальна антена, яка принципово змінила умови дії всієї схеми приймального апарата О. С. Попова. Слід сказати, що пізніше, особливо в 1896—1899 pp., питанням розробки антенних пристроїв займався югославський вчений i винахідник у галузі електротехніки та радіотехніки Н. Тесла (1856—1943).



Під час проведення експериментів О. С. Попов та його найближчий помічник П. М. Рибкін звернули увагу на те, що приймальний пристрій реагує на грозові розряди. Це навело О. С. Попова на думку приєднати до приймача самописний апарат, після чого він одержав діаграму грозових розрядів, накреслену на папері. Так з'явився новий прилад, що реєстрував розряди на значних віддалях,— знаменитий грозовідмітник О. С. Попова — перша в світ приймальна радіостанція.

7 травня 1895 р. Попов виступив з доповіддю «Про відношення металевих порошків до електричних коливань» i продемонстрував дно грозовідмітника на засіданні Російського фізико–хімічного товариства.

На закінчення доповіді він висловив надію, що його прилад при дальшому вдосконаленні може бути застосований для передачі сигналів на віддаль за допомогою електричних коливань при умові, що буде знайдено джерело цих коливань з достатньою енергією. Цей день увійшов у науку як день винайдення радіо.

Грозовідмітник О. С. Попова почав широко використовуватися на метеорологічних станціях для відмітки наближення грози, i в 1896 р. О. С. Попов був за нього нагороджений дипломом «За винайдення нового i оригінального інструмента для дослідження грози».

У січневому номері «Журналу Російського фізико-хімічного товариства» за 1896 р. було опубліковано статтю О. С. Попова «Прилад для виявлення i реєстрування електричних коливань», в якій була наведена схема i докладний опис принципу дії першого в світі радіоприймача.



24 березня 1896 р. О. С. Попов вдруге виступив на засіданні Російського фізико-хімічного товариства, де вперше продемонстрував передачу сигналів без проводів на віддаль 250 м i передав першу в світ радіограму, що складалася з двох слів «Генріх Герц», увічнивши цим славу великого німецького експериментатора. заслуги О. С. Попова у винайденні радіо офіційно були відзначені в 1900 р. присудженням йому почесного диплома i золотої медалі на четвертому Всесвітньому електротехнічному конгресі в Парижі.

Слід зауважити, що італійський радіотехнік Г. Марконі (1874—1937) запропонував наприкінці 1896 р. Англії, куди він переїхав, розроблені ним прилади для здійснення бездротового телеграфу i в 1897 р. одержав на них патент. Схема приймача Марконі, як виявилося, повністю повторювала схему О. С. Попова. До заслуг Г. Марконі слід віднести успіхи в здійсненні практичної радіотелеграфії, зокрема в 1901 р. він здійснив перший радіозв'язок з Америкою через Атлантичний океан.

У червні 1899 р. П. М. Рибкін замінив когерер телеграфним апаратом, що дало можливість йому разом з О. С. Поповим розробити метод радіоприймання телеграфних сигналів на слух, який дістав широке застосування.



23 грудня 1899 р. О. С. Попов прочитав на першому Всеросійському електротехнічному з'їзді доповідь «Телеграфування без проводів», у якій підкреслив особливу практичну роль використання телефонів для значного збільшення віддачі приймання радіосигналів на слух. Виконана О. С. Поповим разом із своїми співробітниками велика серія дослідів з радіотелеграфування привела до його швидкого практичного застосування. Характерно, що cвoїм першим практичним застосуванням радіо послужило рятуванню 27 рибалок, зняттю з каменів російського броненосця «Генерал–адмірал Апраксін».

Відкриття О. С. Попова завершувало боротьбу за визнання реальності існування електромагнітного поля. Передбачені Фарадеєм i Максвеллом, експериментально підтверджені Герцем електромагнітні хвилі вийшли з стін лабораторії. Велике дітище О. С. Попова — радіо — відкрило нову сторінку в науці : техніці, породило радіофізику i радіотехніку з їx численними практичними застосуваннями майже в ycix галузях людської діяльності.

Література

  1. История физики. Краткий курс. Кордун Г. Г. Издательское обьединение.–М.: “Высш. школа”, 1974.– 224 с.

  2. М. Лауэ. История физики. Государственное издательство технико–теоретической литератури.–М., 1956.

  3. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ века): Справ. Пособие.–М.: Высш. шк., 1989.–576 с.

  4. Григорьев В. И. О физиках и физике.–М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.–270 с.


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка