Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Богданова Ирина Юрьевна

41. Основные законы электромагнетизма

Электромагнитная картина мира начала формироваться в XVIII в. До этого времени человечеству были известны простейшие электрические и магнитные явления: притяжение и отталкивание электрических зарядов (опыты с янтарем в Древней Греции), свойство магнита располагаться в направлении силовых линий магнитного поля Земли, теоретическое предположение Гилберта о том, что Земля является большим магнитом. В XVIII в. было установлено, что одноименные электрические заряды отталкиваются, ученые изобрели электроскоп, Франклин, Ломоносов и Рихман доказали электрическую природу молний и изобрели молниеотвод (громоотвод), а Симмер предположил, что в любом теле содержится равное количество разноименных электрических зарядов, которые перераспределяются

при электризации.

К началу XX в. было известно, что сам электрический заряд состоит из множества более мелких зарядов, и открыта первая элементарная частица – отрицательно заряженный электрон. На протяжении XVIII–XIX вв. в ходе экспериментов были открыты основные законы электромагнитных явлений:

– закон сохранения электрического заряда (в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, а величина заряда не зависит от его скорости);

– закон Кулона и законы Ома (о зависимости силы тока и сопротивления проводника в зависимости от его сечения);

– закон Джоуля – Ленца (о количестве тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за определенное время);

– закон электромагнитной индукции Фарадея (изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению электромагнитной индукции).

В физике на основе исследований Фарадея было введено понятие электростатического поля, открытия Эрстеда доказали связь электричества и магнетизма и выявили особенность устройства магнитного поля – его вихревую природу. В 1820 г. благодаря Амперу в физике появился новый раздел – электродинамика . Примерно в это же время Фарадей высказал идею существования электромагнитных волн и отнес свет к электромагнитным явлениям. В 1865 г. физик Максвелл создал теорию электромагнитного поля.

42. Теория электромагнитного поля Максвелла

Фарадей открыл электромагнитное поле, доказал его существование опытным путем, но он не был математиком и не мог привести для открытого им явления математического обоснования. Эту работу выполнил физик и математик Максвелл. Он привел блестящие идеи Фарадея в ясный и четкий математический вид и в своих трудах детально разработал теорию электромагнитного поля. Сутью теории Максвелла была система из четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла . Каждое уравнение соответствовало одному из четырех утверждений:

1. Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона.

2. 2. Магнитные заряды не существуют.

2. Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток.

3. Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями.

Приведенные Максвеллом уравнения доказывали существование электромагнитного поля, объясняли, как формируется электрическое поле на основе вихревого магнитного поля и как электрическое поле, в свою очередь, создает и поддерживает магнитное поле; в силу перехода поле, описанное Максвеллом, было электромагнитным, система мироустройства – электродинамической, а рождающаяся на основе новых открытий и обоснованной теории Максвелла картина мира – электромагнитной картиной мира. На основе своих уравнений Максвелл пришел к мысли о существовании электромагнитных волн, скорость которых должна быть равна скорости света. Вслед за Фарадеем он отнес свет к электромагнитным волнам. К характеристикам электромагнитной волны он отнес ее способность оказывать давление на поставленную перед волной преграду, что позже позволило опытным путем доказать существование этой характеристики. Максвелл предположил, что атом, который физика считала неделимым, состоит из множества элементарных частиц (позже был открыт электрон). Теорию Максвелла принято называть началом конца классической физики. Следом за теорией Максвелла появились электронная теория Лоренца и знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна.

43. Электронная теория Лоренца

Обоснование Максвелла касалось в основном электромагнитных явлений – Максвелла интересовали сами явления, а не среда, в которой они происходят. Хотя Максвелл высказал

предположение о делимости атома на еще более мелкие части, сам структурой материи он не занимался. Физик Лоренц считал это большим упущением, он понимал, что для полноты теории Максвелла к ней необходимо присовокупить дополнения, описывающие микромир. Исследования Лоренца были направлены на изучение структуры вещества, разложении его на мельчайшие составляющие. Лоренц первым высказал предположение о существовании крайне малых электрически заряженных частиц – электронов – которые имеются в любом материальном теле.

Свою точку зрения на структуру вещества Лоренц обнародовал в 1865 г. В своей электронной теории Лоренц использовал теорию Максвелла и общепринятые положения о дискретности электрических зарядов, то есть их атомарную составляющую. Теория Лоренца, не имевшая прежде экспериментального подтверждения, блестяще подтвердилась в 1897 г., когда был обнаружен электрон. На общих основаниях электронной теории Лоренц совместно с физиком Друде создал также электронную теорию металлов , основными положениями которой являются следующие:

1. Свободные электроны (электроны проводимости) образуют в металлах электронный газ.

2. Основой структуры металла является кристаллическая решетка, в узлах которой расположены ионы.

3. В электрическом поле действие сил поля превращает беспорядочное движение электронов в упорядоченное.

4. Электрическое сопротивление объясняется тем, что при движении электроны сталкиваются с ионами решетки.

Новая теория хорошо объясняла и давала количественные описания для многих явлений, но некоторые (например, зависимость сопротивления металлов от температуры, нестабильная величина отношения заряда к его массе и т. п.) объяснить не могла. В первые десятилетия XX в. новые открытия подтвердили, что законы классической механики и законы идеальных газов не работают для сверхмалых элементарных частиц, в том числе и для электронов.

44. Относительные и абсолютные системы отсчета

К началу XX в. остро встал вопрос о системах отсчета, избираемых для проведения вычислений и объяснения экспериментальных данных, получивших название инерциальных систем . Галилей разделил частные характеристики объектов на инвариантные (неизменные) и вариантные (изменяющиеся). К инвариантным (то есть остающимся постоянными в любой системе отсчета) он отнес время, массу, ускорение, силу. К вариантным (то есть изменяющимся при переходе из одной системы отсчета в другую) он отнес координаты, скорость, импульс, кинетическую энергию. Свои выводы он обосновал системой преобразований и закрепил в сформулированном им механическом принципе относительности, или принципе относительности Галилея . Этот принцип был основательно поколеблен при изучении поведения молекул в больших системах.

Но еще большие сомнения в его истинности возникли после исследований свойств и природы света и законов его распространения. На XIX в. приходится открытие физического вакуума. Исследуя скорость распространения света в вакууме, выявили, что эта скорость является постоянной (с ≈ 3 · 108 м/с) и во всех системах отсчета независимо от величины и направления скорости их движения остается такой же, как и в системе отсчета, связанной с источником света.

Сразу же возникли сомнения в: 1) чистоте экспериментов; 2) применимости законов классической механики и, в частности, принципа относительности Галилея к явлениям электромагнитной природы; 3) определении верной системы отсчета. Возник вопрос и о среде, в которой распространяется свет. Считалось, что такой средой является эфир. Возникли идеи, что эфир является абсолютной средой, идеальной средой для распространения света. Выдвигалось множество теорий по поводу эфира, проводились разного рода эксперименты, которые ничего не объяснили и ничего не доказали. Кроме одного: классическая механика объяснить эксперименты со светом по принципу относительности Галилея не может. Но поскольку этот принцип работает для макромира, то для мира элементарных частиц или космического пространства требуется, скорее всего, другой принцип.