2000
|
Концепция естествознания
|
Развитие электромагнитной концепции
|
Реферат
|
|
26
|
2008
|
|
699
|
Координаты: электронная почта acher@wiseowl.ru, ancher77@mail.ru
Icq 170552870
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
1. Развитие магнетизма и электромагнитной концепции 4
2. Исследование электрической силы 7
3. Теория электромагнитного поля Д. К. Максвелла 9
4. Электромагнитная картина мира 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 14
ВВЕДЕНИЕ
«Развитие электромагнитной концепции» - одна из важных и актуальных тем на сегодняшний день.
Тема работы актуальна потому, что критика основополагающих понятий классической физики велась на протяжении почти всего XIX века, но она оставалась в рамках механики и велась скорее для улучшения этой теории, чем для ее преодоления. И только с разработкой теории электромагнитного поля физика XIX века вышла на иную предметную область, вызвавшую к жизни качественно новую концептуальную модель физической реальности, не укладывающуюся в представления классической физики. Так начинался кризис механистической научной картины мира.
МКМ опиралась на представление, что при взаимодействии тел (материальных точек) силы, соединяющие взаимодействующие тела, действуют по прямой линии, то есть являются центральными силами. В классической механике все взаимодействия сводились к притяжению или отталкиванию. При этом вопрос о природе сил тяготения оставался открытым.
В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).
В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М.Фарадеем и Дж. Максвеллом.
Актуальность исследования определила цель работы:
Целью работы является рассмотрение развития электромагнитной концепции.
Для достижения цели необходимо решить ряд важных задач:
1. Изучить литературу по проблеме исследования.
2. На основе теоретического анализа изучения проблемы систематизировать знания о развитии электромагнитной концепции в трудах X. К. Эрстеда и М. Фарадея.
3. Рассмотреть сущность и специфику теории электромагнитного поля Д. К. Максвелла.
4. Систематизировать и обобщить существующие в специальной литературе, научные подходы к данной проблеме.
Для раскрытия поставленной темы определена следующая структура: работа состоит из введения, основной части и заключения. Названия основной части отображают ее содержание.
1. Развитие магнетизма и электромагнитной концепции
Эта теория была создана в 60-х годах XIX в., в ней речь идет о законах связи электрических и магнитных сил. На основе данной теорий были сделаны попытки создания электромагнитной картины мира. Если теория Галилея — Ньютона имела дело с веществом, то эта теория — с понятием физического поля.
Электрические и магнитные силы относятся к естественным наблюдаемым явлениям. Например, естественный магнит представляет минерал, названный магнетитом, образующийся в процессе окисления железа при высокой температуре. Этот минерал довольно широко распространен на поверхности Земли. Римский философ и поэт Лукреций, живший в 99—55 гг. до н. э., считал, что термин «магнит» произошел от названия местности Холмы Магнезии в Малой Азии, где добывали железную руду1. Есть и другая версия. Утверждается, что это слово произошло от названия «камень Магнитуса» (Магнитус — это имя пастуха, которому древнегреческой легендой II в. до н. э. приписывается факт обнаружения притягивания железного наконечника палки и железных гвоздей его сапог определенными каменными породами).
Термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «elektron» — янтарь. Еще античные мыслители знали, что натертая шерстью янтарная палочка приобретает новое физическое свойство — при прикосновении к другим телам она вызывает искрение или свечение. В дальнейшем это свойство было названо электрически заряженным телом.
Свойство тел вступать в электромагнитные взаимодействия с другими телами и величину силы этого взаимодействия называют зарядом. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительный заряд возникает на стекле, натертом кожей, отрицательный — на янтаре, натертом шерстью.
С XII в. многие исследователи интересовались направлением стрелок компаса строго по линии север — юг. Слово «полюс» (лат. polus — ось, граница, предел чего-то) в словосочетании «географический полюс» означает точку пересечения оси вращения Земли с земной поверхностью. Поскольку ось вращения Земли меняет со временем свой наклон, то географические полюса медленно меняют свое местоположение. Южный географический полюс был открыт в 1911 г. норвежской экспедицией под руководством Р. Амундсена (1872—1925). Он находится в Антарктиде (Полярное плато, на высоте 2800 м).
………..
Исследования Ш. Кулона положили начало изучению ряда важных проблем электричества и магнетизма: является ли Земля магнитным шаром, как утверждал еще В. Гильберт? существуют ли магнитные заряды? как осуществляется действие электрических сил и магнитных сил в пространстве? имеют ли электрические и магнитные силы единую физическую природу? В частности, изучение Земли как магнитного шара показало, что многие геологические породы не обладают свойством намагничивания, т. е. не приобретают свойства магнита. Причем некоторые из земных пород, такие как гипс, каменная соль, свинец и ряд других, при их намагничивании во внешнем магнитном поле не усиливают это магнитное поле, а, наоборот, ослабляют его. Таким образом, подобные породы противоположны по магнитным свойствам так называемым ферромагнитам.
Ферромагниты — (лат. ferrum — железо) — вещества, которые при их намагничивании во внешнем магнитном поле усиливают данное магнитное поле. Это обстоятельство вызвало сомнение в представлении о Земле в форме шарообразного магнита. Другим обстоятельством, усиливающим это сомнение, было открытие факта утрачивания ферромагнитами магнитных свойств при температурах свыше (+100° С): железо — 780° С, магнетит — 580° С и другие. Эти температурные точки для ферромагнитов называются обобщенно точкой Кюри: П. Кюри (1859—1906) сформулировал этот закон в 80-х годах XIX в.
Идея Ш. Кулона о магнитных частицах, обладающих обоими магнитными полюсами, сходна с гипотезой о существовании частицы, названной «монополь Дирака», т. е. частицы, обладающей только одним магнитным полюсом, аналогичным электрическому заряду. П. Дирак — один из создателей квантовой механики. В слове «монополь» соединены два слова греческого происхождения: моно — один, поль — полюс.
……..
После настойчивых многолетних опытов в 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Его теория электромагнитной индукции в общих чертах сохранилась до наших дней и является основой создания генераторов электрического тока разных модификаций и мощностей. Когда замкнутый контур электрической цепи пересекает магнитные силовые линии, то в контуре возникает электрический ток, так как энергия магнитных силовых линий трансформируется в электрический ток.
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток получивший название индукционного.
Дальнейшие опыты неопровержимо показали, что причиной появления индукционного тока служит именно изменение магнитного потока. Ток проводимости в замкнутой цепи может возникнуть только под действием сторонних сил, действие которых характеризуется в данном случае электродвижущей силой электромагнитной индукции.
Исследование индукционного тока в проводящих контурах различной формы и размеров показало (закон Фарадея), что э.д.с. электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока Фм через поверхность, ограниченную контуром2. Исследование направления индукционного тока привело к формулировке следующего закона (правило Ленца). При всяком изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром, в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Так, например, при приближении полосового магнита к замкнутой на гальванометр катушке возникает индукционный ток, который своим магнитным полем препятствует приближению магнита и связанному с этим возрастанию магнитного потока сквозь витки катушки.
……..
2. Исследование электрической силы
Исследованием этой проблемы занималось много ученых. Б. Франклину (1706— 1790) — одному из авторов Декларации независимости США (1776) и Конституции США (1787) — принадлежит несколько плодотворных идей в исследовании природы электричества. Он полагал, что электричество, свободно движущееся в металлах, переносится мельчайшими частицами, которые существенно меньше атомов. Он же ввел понятие положительного и отрицательного зарядов: положительный заряд — это заряд тела, которое накапливает электричество, отрицательный — это заряд тела, теряющего электричество. Франклин не знал, что электричество связано с движением электронов. Поэтому то, что он назвал положительным зарядом, является на самом деле отрицательным, но традиция сохраняет принятые Франклином термины3.
Б. Франклину принадлежит формулировка закона сохранения электрических зарядов в замкнутой системе (без действия внешних сил): полный заряд тел, входящих в эту систему, сохраняется, хотя внутри этой системы будут происходить изменения заряда от тела к телу при их движении внутри системы. Электричество, которое изучал Франклин, называется статическим. В России электричество изучалось М. В. Ломоносовым и Г. В. Рихманом (1711—1753), академиком Петербургской академии, погибшим по нелепой случайности при эксперименте. М. Ломоносову были известны идеи Франклина. В своей диссертации «Теория электричества, математически выведенная автором М. Ломоносовым» он сформулировал принципиально новое объяснение атмосферного электричества, чего у Франклина не было: электричество возникает в результате «трения» вертикально восходящих и нисходящих потоков частиц воздуха в атмосфере.
Исследование динамического электричества начинается с открытий итальянцев А. Вольта (1745—1827) и Л. Гальвани (1734—1787). Изобретение в 1800 г. электрической батареи как источника постоянного электрического тока в результате химического и механического процессов вызвало огромную сенсацию: человечество приобрело способ производства электричества.
В 1791 г. профессор анатомии в Болонии Л. Гальвани опубликовал трактат «Об электрических силах в мускуле», в котором говорилось, что механизм передачи, взаимодействия в животных тканях имеет электрическую природу. Эта идея, основанная на эксперименте с лягушками, вызвала огромную сенсацию. Многие врачи стали рассматривать электричество как средство воскрешения из мертвых и восстановления функций организма: дыхания, сердцебиения, а некоторые пытались использовать электричество как средство оживления.
В 1809 г. Л. Окен, последователь немецкого философа Ф. Шеллинга (1775— 1854), опубликовал трехтомный труд «Учебник натуральной философии», в котором сформулировал 3738 истин-постулатов о происхождении жизни на основе гальванической полярности, т. е. электричества. Л. Окен развивал идею Ф. Шеллинга о природе как о развивающейся и самоорганизующейся системе, но не приводил доказательств в обоснование выдвинутых им постулатов. Исследования Ш. Кулона электрических и магнитных сил показали, что эти силы действуют в пустоте (вакууме) и убывают с увеличением расстояния между телами, как электрически заряженными, так и являющимися намагниченными. Это означало, что эти силы не нуждаются в физической среде для своего распространения и, следовательно, являются, как и силы тяготения, силами дальнодействия, убывающими с увеличением расстояния между взаимодействующими телами.
……
3. Теория электромагнитного поля Д. К. Максвелла
Разработку теории электромагнитного поля завершил другой выдающийся английский физик - Д. К. Максвелл (1831-1879). Работы Фарадея и даже стиль его исследовательского мышления оказали на Максвелла решающее влияние. Сам Максвелл не раз отмечал, что его теория электромагнитного поля - это математическое оформление идей Фарадея.
Но это не значит, что Максвелл углубил и математически оформил идеи только Фарадея. Он также обобщил и придал новую математическую форму открытиям других физиков, например, Био и Савара, Лапласа, Ленца, Кулона и др. Он ввел в теорию и свои важные понятия. Одним словом, он создал свою единую математизированную теорию электромагнитного поля, в которой впервые объединил имевшиеся научные представления об электрических, магнитных и световых процессах.
Эта теория представлена в сжатой и простой (изящной) форме в виде четырех уравнений. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название теории электромагнитного поля Максвелла.
Теория электромагнитного поля Максвелла не только объяснила все открытые тогда электрические и магнитные явления, но предсказала ряд новых.
Из уравнений Максвелла вытекало, в частности, что электромагнитное поле может отрываться от источников поля и распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. И действительно, электромагнитные волны позже были экспериментально получены и зафиксированы Генрихом Герцем.
……
4. Электромагнитная картина мира
Теория Д. Максвелла была воспринята некоторыми учеными с большим сомнением. Например, Г. Гельмгольц (1821—1894) придерживался точки зрения, согласно которой электричество является «невесомым флюидом», распространяющимся с бесконечной скоростью. По его просьбе Г. Герц (1857— 1894) занялся экспериментом, доказывающим флюидную природу электричества. К этому времени О. Френель (1788—1827) показал, что свет распространяется не как продольные, а как поперечные волны. В 1887 г. Г. Герцу удалось построить эксперимент. Свет в пространстве между электрическими зарядами распространялся поперечными волнами со скоростью 300 тыс. км/с. Это позволило ему говорить о том, что его эксперимент устраняет сомнения в тождественности света, теплового излучения и волнового электромагнитного движения.
Этот эксперимент стал основой для создания электромагнитной физической картины мира, одним из приверженцев которой был Г. Гельмгольц. Он полагал, что все физические силы, господствующие в природе, должны быть объяснены на основе притяжения и отталкивания. Однако создание электромагнитной картины мира столкнулось с трудностями4.
……..
Сенсацией начала XXI в. является создание российскими учеными из г. Троицка (Подмосковье) полимера из атомов углерода, который обладает свойствами магнита. Обычно считалось, что наличие металлов в веществе ответственно за магнитные свойства. Проверка этого полимера на металличность показала, что в нем нет присутствия металлов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подводя итог работы можно сделать следующие выводы:
М. Фарадей вошел в науку исключительно благодаря таланту и усердию в самообразовании. Выходец из бедной семьи, он работал в переплетной мастерской, где познакомился с трудами ученых, философов. Известный английский физик Г.Дэви (1778—1829), который способствовал вхождению М. Фарадея в научное сообщество, однажды сказал, что самым крупным его достижением в науке является «открытие» им М. Фарадея. М. Фарадей изобрел электродвигатель и электрогенератор, т. е. машины для производства электричества. Ему принадлежит идея о том, что электричество имеет единую физическую природу, т. е. независимо от того, каким образом оно получено: движением магнита или прохождением электрически заряженных частиц в проводнике.
Подобно И. Ньютону Д. Максвелл придал всем результатам исследований электрических и магнитных сил теоретическую форму. Произошло это в 70-х годах XIX в. Он сформулировал свою теорию на основе законов связи взаимодействия электрических и магнитных сил, содержание которых можно представить таким образом:
1. Любой электрический ток вызывает или создает магнитное поле в
окружающем его пространстве. Постоянный электрический ток создает
постоянное магнитное поле. Но постоянное магнитное поле (неподвижный магнит) не может создавать электрическое поле вообще (ни постоянное, ни переменное).
2. Образовавшееся переменное магнитное поле создает переменное
электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное поле,
и так далее.
3. Силовые линии электрического поля замыкаются на электрических зарядах.
4. Силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя и никогда не
кончаются, т. е. не существует в природе магнитных зарядов.
В уравнениях Д. Максвелла присутствовала некоторая постоянная величина, С, которая указывала, что скорость распространения электромагнитных волн в физическом поле является конечной и совпадает со скоростью распространения света в вакууме, равной 300 тыс. км/с.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Горелов А. А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие, практикум, хрестоматия. М., 2002г.
Грушевицкая Т. Г. Концепции современного естествознания: М., 2002г.
Дорфман Я. Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. — М.: Наука, 2001г.
Кравченко В. В. Тесты по курсу "Концепции современного естествознания". М., 2003г.
Лавриненко В. Н. Концепции современного естествознания. М., 2000г.
Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания: учеб. — ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006. – 264с.
Самыгина С. И. Концепции современного естествознания. 3-е изд. Ростов н/Д., 2001г.
Степин В. С., Томильчик Л. М. Практическая природа познания и методологические проблемы современной физики. Минск, 2000г.
|
