И.Г.МИХАЙЛОВА,
МОУ лицей № 6, г. Воронеж

Предпосылки к созданию электромагнитной теории Максвелла

История науки, 11-й класс

Многое, о чём думает физика, предвидела философия.
Мы, физики, благодарны ей за это, ибо то,
к чему мы стремимся, – это картина мира, которая
не только соответствует опыту, но и удовлетворяет
требованиям философской картины.

М.Борн

Мы до сего времени находимся в неведении
относительно природы электричества: является ли оно одной субстанцией,
двумя или оно вовсе не является ею, чем оно отличается от материи и как связано с нею…

Джеймс Клерк Максвелл

Самым увлекательным предметом моего учения была теория Максвелла.
Переход от сил дальнодействия к полям как основным величинам,
делал эту теорию революционной.

А.Эйнштейн

Физика является основой естественных наук и тесно связана с философией, т.к. рассматривает в естественнонаучном плане такие общие категории, как пространство и время, материя и движение, находит общие закономерности в природе, на основе построения физической картины мира строит естественнонаучную картину мира – формирует научное мировоззрение.

История науки позволяет наглядно представить её развитие, понять, почему меняются наши знания о мире, проследить эволюцию научного знания и мировоззренческих представлений. Прежде чем рассматривать современную картину мира, необходимо последовательно рассмотреть картины мира, созданные классической физикой, – механическую и электромагнитную. Последняя была сформирована к концу XIX в. на основе электромагнитной теории Максвелла, построенной в конце XIX в. благодаря большому количеству наблюдений и накопленных к тому времени опытных данных.

Хронология событий

• VI в. до н.э. Платон и Сократ изучили свойства магнитного камня.

• V в. до н.э. Фалесу Милетскому, основоположнику греческой науки, были известны магнитные притяжения и электризация янтаря.

• 94–51 гг. до н.э. Тит Лукреций Кар дал очерк теории магнитных действий в поэме «О природе вещей». Его концепция впоследствии развивалась Декартом и Эйлером.

• За 30 л. до н.э. Диоскорид использовал удары электрического угря при лечении подагры и хронической головной боли.

• II–III вв. Ма Цзюнь изобрёл сухопутный компас. Компас описывает в своих сочинениях Альберт Великий.

• XI–XII вв. Указания на использование компаса при кораблевождении.

• 1600 г. Уильям Гильберт доказал, что Земля подобна намагниченному шару, и открыл электрические свойства янтаря у различных веществ.

• 1625 г. Генри Геллибранд открыл вариацию земного магнитного склонения.

• 1672 г. Отто фон Герике построил машину для электризации тел, обнаружил свечение электрических искр.

• 1675 г. Жан Пикар обнаружил свечение ртутного столба барометра при встряхивании.

• 1676 г. Датский астроном Оле Кристенсен Рёмер астрономическим методом определил скорость света.

• 1678 г. Христиан Гюйгенс предложил теорию волновой природы света, вывел законы отражения и преломления света.

• 1706 г. Френсис Гауксби создал стеклянную электрическую машину.

• 1723 г. Шарль Франсуа Дюфе открыл два вида электрических зарядов и характер взаимодействия между ними.

• 1729 г. Стивен Грей открыл, что все тела делятся на проводящие и не проводящие электричество.

• 1745 г. Эвальд Юргенс фон Клейст и Питер Мушенбрук изобрели первый конденсатор – «лейденскую банку».

• 1746 г. Джозеф Эликот изобрёл электрометр.

• 1747 г. Жан Нолле изобрёл электроскоп, а Бенджамин Франклин – громоотвод и выяснил, что при электризации тела получают разноимённые заряды.

• 1748 г. Георг Вильгельм Рихман и Михаил Васильевич Ломоносов исследовали атмосферное электричество. Рихман изобрёл свой электроскоп и доказал электризацию металлов трением.

• 1775 г. Алессандро Вольта изобрёл электрофор.

• 1784 г. Шарль Огюстен Кулон сконструировал крутильные весы.

• 1785 г. Ш.-О. Кулон открыл закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов, измерил величину их взаимодействия. Абрагам Беннет сконструировал электроскоп с золотыми листочками.

• 1791 г. Луиджи Гальвани открыл действие электричества на мышцы и нервы препарированной лягушки, обнаружил электрическое действие на мышцы, когда их касаются соединёнными между собой различными металлами.

• 1799 г. А.Вольта, стремясь усилить электрическое действие, обусловленное контактом двух разных проводников, изобрёл гальваническую батарею – «вольтов столб».

• 1800 г. А.Вольта определил понятия электродвижущей силы.

• 1802 г. Василий Владимирович Петров впервые осуществил электрический дуговой разряд и установил ряд его важнейших практических применений.

• 1805 г. Христиан Иоганн Дитрих Гроттус создал теорию механизма электролиза.

• 1818–1827 гг. Огюст Жан Френель доказал волновую теорию света на основе явлений дифракции и интерференции.

• 1820 г. Жан Батист Био и Феликс Савар открыли закон, определяющий напряжённость магнитного поля. Ханс Кристиан Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Андре Мари Ампер открыл механическое взаимодействие проводников с электрическими токами.

• 1821 г. Томас Зеебек, прибалтийский физик, открыл термоэлектричество.

• 1824 г. Франсуа Доминик Араго открыл намагничивание железа в магнитном поле электрического тока.

• 1825 г. Вильям Стерджен изобрёл электромагнит.

• 1826 г. Георг Симон Ом установил формулу для постоянного тока в электрической цепи – закон Ома.

• 1831 г. Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

• 1832 г. Павел Львович Шиллинг построил действ ующий телеграф с магнитными стрелками.

• 1833 г. Эмиль Христианович Ленц сформулировал правило для определения направления индукционного тока – правило Ленца.

• 1834 г. М.Фарадей установил законы электролиза.

• 1837 г. Борис Семёнович Якоби изобрёл гальванопластику, которую внедрил в типографское и монетное дело.

• 1838 г. Б.С.Якоби сконструировал первый в мире практически пригодный электродвигатель с непрерывным вращением вала и впервые применил его для движения судна.

• 1843 г. Открыт закон Джоуля–Ленца.

• 1845 г. М.Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, явления диа- и парамагнетизма.

• 1847 г. Дж.Джоуль обосновал закономерность магнитострикции – попеременного удлинения и укорачивания металлического стержня при перемагничивании.

• 1859 г. Немецкий физик Юлиус Плюккер открыл катодные лучи.

• 1864 г. Джеймс Клерк Максвелл предложил основные законы электродинамики в виде четырёх уравнений, которые обобщили открытые эмпирические законы электрических и магнитных явлений.

• 1871 г. Д.Ж.-К.Максвелл предложил теорию электромагнитного поля, распространяющегося в вакууме со скоростью света.

Скажите мне, что такое электричество,
и я объясню вам всё остальное.
У.Томсон (лорд Кельвин)

В XVIII в., как видно из хронологии событий, интерес к электрическим и магнитным явлениям резко возрастает. Накопленные факты требуют объяснений. Это открытие двух видов электрических зарядов (1723) и характера их взаимодействия (1785); создание первого конденсатора (1745), открытие «животного электричества» (1791) и, как следствие, изобретение источника тока – «вольтова столба» (1799).

В первой половине XIX в. интенсивно изучается электрический ток, устанавливаются его законы и действия. Начиная с опытов Эрстеда (1820), устанавливается связь между электрическими и магнитными явлениями и бурно развивается учение об электромагнетизме: открывается действие магнита на ток (Ампер, Фарадей), взаимодействие токов (Ампер), явление электромагнитной индукции (Фарадей). Так как электрические и магнитные явления оказываются взаимосвязанными, должен существовать единый закон электромагнитного взаимодействия.

Предпринимается ряд попыток построить такую теорию на основе идеи «дальнодействия», но все они терпят неудачу. Фарадей отказывается от ньютоновской концепции дальнодействия и вводит в физику совершенно новый объект – физическое поле.

Эти представления Фарадея очень заинтересовали Максвелла. Он писал Фарадею: «Сейчас, насколько мне известно, вы являетесь первым человеком, у которого возникла идея о том, что тела действуют друг на друга на расстоянии по средствам обращения окружающей среды в состояние напряжения, идея, в которую действительно стоит поверить… Мне кажется, что вы ясно видите, как силовые линии огибают препятствия, гонят всплеск напряжения в проводниках, сворачивают вдоль определённых направлений в кристаллах и несут с собой всё то же самое количество способности к притяжению, распределённой разреженнее или гуще в зависимости от того, расширяются эти линии или сжимаются».

Фарадей впервые ввёл понятия электрического поля и его силовых линий, построил теорию близкодействия, доказал единую природу всех видов электричества (животного, термического, магнитного, химического), окончательно доказал связь электричества и магнетизма.

Эти идеи использует Максвелл, развивает и оформляет их математически, создавая теорию электромагнитного поля, в основе которой лежит система уравнений, из которых выводятся все законы электромагнетизма и предсказываются новые идеи. Идеи Максвелла позволили сделать весьма важные заключения:

1) электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн;

2) свет есть не что иное, как электромагнитные волны в определённом диапазоне частот.