Лекция 8 ОТКРЫТИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА Систематические исследования электрических явлений были начаты У ильям ом Гильберт ом (1544— 1603) в самом конце XVI в. и продолж ены О. Г ер и к е (1602— 1686), Р. Гуком, И. Н ью тоном, Р. Бойлем и другими учеными. Именно Гильберту принадлежит и сам термин «электричество» (от греческого названия янтаря). С помощью прибора «версор» — прототипа современных электроскопов — Гильберт, исследуя электрические свойства тел, разделил последние на электрические и неэлектрические. В сочинении Гильберта Много интересных наблюдений, но много и фантастики в духе средневековой алхимии. В 1700 г. доктор Уолл впервые увидел (и почувствовал) электрическую искру от большого наэлектризованного куска янтаря, — она проскочила ему в палец. В 1705 г. искру в других условиях наблюдал Ф ренсис Г ауксби (1670— 1713), а в 1716 г. — Ньютон, которому эта искра напомнила молнию. Во второй половине XVII в. исследования электричества расширяются, а в начале XVIII в. ими начинают заниматься кроме ученых многочисленные любители. Опыты с электричеством становятся распространенным «хобби» и развлечением. Этому способствовали и многочисленные владельцы мастерских, изготавливавших научные приборы, а также издатели, выпускавшие книги для любителей. Таким образом, исследования в области электричества в эту эпоху проводятся усилиями как ученых-специалистов, так и энтузиастов-дилетантов, причем последним принадлежит немалая роль в быстром развитии этого раздела физики. Но мы все-таки остановимся в основном на работах профессионалов, поскольку именно им принадлежит установление всех физических законов учения об электрических явлениях. Опытами по электричеству активно занимались члены Лондонского королевского общества. Так, Френсис Гауксби, демонстратор ЛКО , в 1706 г. сконструировал первую стеклянную электрическую машину. Он же обнаружил отталкивание наэлектризованных предметов. Член ЛКО Стефен Грей (1666— 1736) открыл явление электропроводимости и обнаружил, что для сохранения электричества нужно изолировать тело. Именно Грей проводил опыты с электризацией человеческого тела: он наэлектризовал ребенка, подвесив его на шнурах из волос, а затем поставив на смоляной диск. Он же первым разделил все тела на проводники и непроводники электричества. Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфэ (1698 — 1739) открыл, что электричество может быть двоякого рода. Один из них он назвал «стеклянным», другой — «смоляным». В 1733 г. он установил закон, по которому наэлектризованные стеклянным электричеством предметы отталкиваются друг от друга, но притягиваются к наэлектризованным смоляным электричеством. Мы теперь понимаем, что им были установлены два типа зарядов — положительные и отрицательные. Как исследователь Дюфе пытался придерживаться ньютоновской программы. Он, кстати, впервые высказал мысль об электрической природе молнии и грома. Сейчас нам кажется, что подобное объяснение грозы существовало всегда. Однако у каждого, даже самого простого, изобретения или открытия есть свой автор. Часто мы не знаем его, но иногда, как в данном случае, автор оказывается известным. В истории физики много как одних, так и других случаев. Нередко изобретателей было несколько. Примером может служить изобретение стеклянного конденсатора — лейденской банки, — сделанное в 1745— 1746 гг. сразу несколькими экспериментаторами. Кстати, после этого изобретения опыты с электричеством стали опасными. Питер Мушенбрук (1692— 1761) из Лейдена едва не погиб от электрического разряда в 1746 г., а 26 июля 1753 г. при проведении опытов с электричеством был убит ударом молнии русский ученый Георг Вильгельм Рихман. Лондонское королевское общество по-прежнему уделяло большое внимание исследованиям в области электричества. Так, с 1747 по 1754 г. в ЛКО поступали письма от любителя физики из США Бенжамена Франклина, адресованные члену ЛКО, предпринимателю и натуралисту Колинзону. Автор этих писем сообщал в Англию об опытах по электричеству, которые сам выполнял, и о своих соображениях по этому поводу. «Письма» Б. Франклина оказались необычайно популярными и были изданы отдельной книгой, а затем переведены на многие европейские языки, кроме русского. Последнее было связано с гибелью Рихмана, которого, по утверждению многих, постигла кара за «богопротивные» исследования. Это привело к ослаблению в России интереса к таким экспериментам, что и явилось причиной для того, чтобы не переводить на русский «Письма» Франклина. Рис. 33. Опыт Б. Франклина Б. Франклин, как следовало из его писем, провел многочисленные эксперименты по изучению электрических явлений, в том числе грозы (его опыт 1752 г. со змеем, запущенным в грозовую тучу, стал одним из самых известных в области электричества). Он же объяснил действие лейденской банки, создал первый в истории плоский конденсатор и т. п. Эти опыты (рис. 33), в частности, убедили Б. Франклина в электрической природе молнии, а в практическом плане привели к изобретению молниеотвода (громоотвода). Очень важно теоретическое осмысление многочисленных опытов по электричеству. Первой такой попыткой была так называемая «унитарная теория», разработанная самим Б. Франклином и носившая феноменологический характер. В ее основе лежало существование некой жидкой «электрической субстанции», состоящей из очень малых частиц и способной проникать внутрь материи, не встречая сопротивления. Обыкновенная материя в этом случае представляет собой своеобразную «губку» для электрической жидкости. Частицы электрической субстанции отталкиваются друг от друга. ; Б. Франклин предполагал, что в природе соблюдается закон сохранения количества субстанции, т.е., по существу, закон сохранения заряда. Движением «электрической субстанции» он объяснял все известные опыты с электричеством. Теоретические воззрения Б. Ф ранклина нашли понимание в тогдашнем научном сообществе. Однако были и несогласные. Уже известный нам аббат Нолле и некоторые другие ученые видели причину данного явления в процессах, происходящих не внутри электризуемых тел, но вне их, в пространстве. Вызывал также споры ньютонианский характер теории Ф ранклина, т.е. появление в ней сил притяжения и отталкивания неизвестной природы. Оппозиция, особенно во Франции,, был столь сильна, что Jle- минье, составлявший в 1752 г. статью «Электричество» для «Энциклопедии» Дидро, вообще обошел молчанием теорию Ф ранклина. В городе Сент-Омере в 1780— 1784 гг. проходил процесс против некоего гражданина, установившего на крыше своего дома громоотвод и обвинявшегося в связи с этим в «притягивании» молнии на головы своих сограждан. Он был оправдан благодаря успешной защите. Адвокатом в этом процессе был тогда еще молодой Максимилиан Робеспьер — один из главных политических деятелей Великой французской революции. Новый период изучения электричества наступил тогда, когда начались исследования сил, действующих между наэлектризованными телами; при этом микроскопические явления в расчет не принимались. Это типичный ньютоновский подход. Он неминуемо должен был привести к открытию закона, который мы теперь связываем с именем Шарля Кулона. Как и многие другие великие закошы, закон Кулона открывался несколько раз. Фактически его можно (было установить уже из экспериментов Франклина. Английский естествоиспытатель и автор «Истории электричества» (1767) Дж. Пристли (1733— 1804) повторил опыты последнего и высказал предположение о взаимодействии электрических зарядов, которое мы теперь называем законом Кулона. Экспериментально показал, что с:ила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, английский ученый Генри Кавендиш (1731 —1810). Это открытие не стало, однако, достоянием науки в силу мизантропии и скрытности характера Г. Кавендиша. Лишь после того как Максвелл в 1879 г. опубликовал его работы (и повторил опыты), стало известно, что Кавендиш открыл закон взаимодействия электрических зарядов еще в 1771 г. Что же касается скрытности Кавендиша, то, как писал в 1891 г. электрофизик Оливер> Хевисайд (1850— 1925), «она совершенно непростительна, это грех*». Этот грех стоил Кавендишу славы открывателя точного закона электрического взаимодействия, который теперь называется законом Кулона. Шарль Огюстен Кулон (1796— 18016) — французский военный инженер — долгое время занимался исследованиями кручения нитей и установил соотношение ??????????? где у — угол закручивания; р — закручивающая сила; / — длина нити; г — ее радиус. В 1784 г. Кулон сконструироваал чувствительный прибор — крутщльные весы, действие которых было основано на открытом им законе (рщс. 34) С помощью этого устройства и был установлен закон взаимодействия электрических, а также магнгитных зарядов. Результаты опытов опзубликованы в семи мемуарах, вышеедших в 1782-1785 гг. Прибор Кулона представлял «собой стеклянный цилиндр со шкалсой по окружности. В центральное отверстие была пропущена серебряная нить с прикрепленным к ней коромыслгюм из изолятора, шариком из бузины щ противовесом. Рис. 34. Опыт Кулона ????????? В боковое отверстиее пропускался стержень с таким же точно шариком, но уже наэлектризованным. Не умея измерять величину заряда, Кулон обеспечивал таким образом в каждом эксперименте равенство взаимодействующих зарядов. Для этого шарики сначала приводились в соприкосновение, а затем разводились. При этом первоначальный заряд делился между ними поровну. В 1785 г. в первом из своих знаменитых мемуаров Кулон (опубликовал экспериментально установленный им основной ззакон электростатики: сила взаимодействия электрических зарядовв пропорциональна величине каж дого из них и обратно пропорционцальна квадрат у расстояния меж ду зарядами. Этот закон получил название закона Кулона. Через три года ученый распространил! этот закон на взаимодействие точечных магнитных полюсов. Точность измерений, которую обеспечил Кулон в своем эксперименте, — не слишком высока. Во всяком случае, у Кавендиша она выше. В то же время закон Кулона — фундаментальнейший закон, и точность его установления имеет чрезвычайно важ ное значение. Это относится главным образом к тому, что в знаменателе формулы стоит величина rn ??????, причем, согласно Кулону, n=2 Такая величина показателя степени непосредственно связана с величиной массы покоя кванта электромагнитного поля — фсотона (она отсутствует, если п точно равно 2). Чем точнее мы устанаавливаем величину показателя степени в знаменателе формулы Кулона, тем с большим основанием можно говорить об отсутствдии у фотона массы покоя. Поэтому уже свыше 200 лет не прекращается попытки все с большей точностью установить это значение. Согласно современным представлениям, п = 2 ± q, где q < 6 • 10-16>. Это означает, что масса покоя фотона — если она есть — не превышает 1,6 -10—50кг. Открытие закона Кулона завершает длительный процесс становления электростатики. Дальнейшее развитие науки об электричестве связано с возникновением электродинамики. Первые работы в этом направлении были выполнены еще в XVIII в. Они связаны с именами Луиджи Гальвани (1737— 1798) — итальянского ученого, прославившегося открытием так называемого «животного электричества», и другого итальянца — Алессандро Вольта (1745—1827), изобретателя первого источника электрического тока. Эти и другие открытия подготовили физику к переходу от электростатики к электромагнетизму. Рис 35 Х.К.Эрстед Приведем слова профессора Петербургской медико-хирургической академии Д. Велланского: «Электромагнетизм был открыт в Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил в 1820 г.». Ханс Кристиан Эрстед (рис. 35) родился в 1777 г. в Копенгагене, учился там в университете, в 20 лет имел диплом фармацевта, в 22 — стал доктором философии. С 1806 г. — профессор того же университета. Умер в 1851 г. Увлекшись философией Шеллинга, который абсолютизировал единство и борьбу противоположных начал в природе, Х.Эрстед много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. Результатом этих разду­ мий оказались две брошюры, из которых вторая (она вышла в 1820 г.) носит название «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». В ней — если отвлечься от тогдашней терминологии, архаичной и к тому же засоренной философскими терминами, характерными для Шеллинга, — Эрстед сообщает об обнаружении им магнитного поля электрического тока. Это открытие обессмертило его имя. Открытие Эрстеда вызвало целую лавину исследований. И. Поггендорф (1 7 9 6 - 1877), Ж. Б. Био (1774-1862), Ф. Савар (1791 -1 8 4 1 ), С.Лаплас (1749— 1827) и другие исследователи не только повторили опыты Эрстеда, но также открыли множество новых фактов и установили закон взаимодействия между элементами тока и намагниченной точкой. Они привели науку на порог нового раздела физики — электродинамики. Сам термин «электродинамика» ввел французский ученый Андре Мари Ампер (1775— 1836). Создание электродинамики — вершина научного творчества Ампера. После сообщения в Парижской академии наук о работе Эрстеда буквально через две недели Ампер сделал открытия, которые легли в основу всей современной электродинамики. Это был плод напряженной работы мозга, своего рода озарение. Уже 2 октября, через три недели после появления брошюры Эрстеда, вышла основательная статья Ампера с изложением основ новой науки — электродинамики. Ампер вводит понятия «электрический ток», «электрическое напряжение», «электрическая цепь», устанавливает направление тока в электрической цепи. Он же предлагает термин «гальванометр», понимая, что открытые им фундаментальные законы дают возможность измерять параметры электрического тока. Ампер впервые установил механическое действие тока, отличающееся от электростатического взаимодействия. У него возникла идея электромагнитного телеграфа в первый же год после открытия электромагнетизма. Ампер ввел представление о магните как о «совокупности электрических токов», пришел к выводу об эквивалентности магнита и соленоида. Это привело его к мысли об отсутствии магнитной жидкости и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Обобщающим трудом А. Ампера была «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданная в 1826 г. Она подытожила проведенные им электродинамические исследования. Основной задачей, стоящей перед Ампером, был вывод формулы, описывающей взаимодействие элементов тока. Формула Ампера кладет начало ряду элементарных законов электродинамики. Следует отметить, что при таком взаимодействии наблюдается новый тип сил, отличных от центральных, для которых не выполняется третий закон Ньютона. Это стало ясно далеко не сразу, а сам Ампер искал свой закон в рамках ньютоновских механических представлений. Созданная Ампером электродинамика основывалась на теории дальнодействия, которая затем была отвергнута наукой. Тем не менее историческое значение электродинамики Ампера очень велико. На протяжении нескольких десятилетий она играла ведущую роль в учении об электромагнетизме, и даже тогда, когда Максвеллом была построена непротиворечивая теория электромагнитных явлений, многие идеи Ампера естественным образом вошли в нее. Обычно открытие нового направления в науке привлекает к нему множество исследователей. Конечно, так случилось и с электро динамикой. Из открытий этого времени следует назвать работы немецкого ученого Т. И. Зеебека (1770— 1831), изучавшего термоэлектричество, исследования профессора из Мюнхена Г. С. Ома (1787— 1854), установившего законы электрической цепи, связывающие ток и напряжение, русского физика Э.Х .Ленца ( 1804— 1865 ) Рис. 36. Опыт Фарадея , работавшего в области электромагнетизма и открывшего ряд законов, ставших хрестоматийными, изобретателя электроагнита американца Дж. Генри (1797— 1878). Однако все-таки самые важные открытия в этой области были сделаны Майклом Фарадеем (1791 —1867). М.Фарадей начал свои физические исследования с явлений электролиза. Вскоре его заинтересовали проблемы, связанные с наличием магнитного поля вокруг проводника с током, которое может позволить осуществить механическое вращение. В декабре 1821 г. заработал первый в истории электродвигатель. После этого Фарадей поставил перед собой задачу: «превратить магнетизм в электричество» — и последовательно выполнял ее в течение многих лет (рис. 36). С 1831 г. он начал публикации статей, которые составили затем трехтомный труд «Экспериментальные исследования по электричеству». Что же написано в этой книге, ставшей классикой физической литературы? В ее 1-й серии содержатся разделы: «Об индукции электрических токов», «Об образовании электричества и магнетизма», «О новом электрическом состоянии материи», «Об объяснении магнитных явлений», открытых Д .Ф .А раго (1786—1853) и др. Содержание каждого из этих разделов знакомо нам непосредственно из физики. Для нас очень важно, что в них идет речь о «распространении» магнитного взаимодействия, на которое требуется время, и о том, что этот процесс можно описать с помощью теории колебаний. Интуиция Фарадея поразительна — ведь он, фактически, пришел к идее электромагнитного поля и его распространения с конечной скоростью. В первой половине XIX в. эти открытия «витали в воздухе» — немудрено, что к открытию явления электромагнитной индукции независимо от М.Фарадея и практически одновременно с ним пришли О. Ж. Френель (1788— 1827), А. Ампер, Дж. Генри, а уж после Фарадея большое число исследователей вспомнили, что они видели это явление, но не обратили на него внимания. Подобную ситуацию мы уже обсуждали в связи с открытием Ньютоном закона тяготения, математического анализа и т.п. Фарадей установил, что ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока. Дж. К. Максвелл позже выразил это равенством Фарадей говорил, что «способность индуцировать ток проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей». Максвелл облек это в выражение Здесь знак «—» соответствует правилу Ленца. В 3-й серии «Экспериментальных исследований» Фарадей положил конец спору о разных видах электричества: обыкновен­ ном, животном, индукционном, — которые бытовали в это время не только среди любителей, но и среди профессиональных ученых. Опытным путем он доказывает их тождественность. 5, 6 и 7-я серии посвящены изучению химических действий тока. Именно здесь введены термины «анод», «катод», «электролиз», « электромагнит» и т. п. Фарадей устанавливает законы электролиза (они теперь носят его имя), умело пользуясь основными представлениями химии, известными ему еще со времени совместной работы с Г. Дэви (рис. 37). Главным достижением этой части ис t Вращающийся Неподвижный ^ проводник проводник Неподвижный магнит Вращающий магнит С Z Рис. 37. Опыт Фарадея следований Фарадея является его идея о дискрет ност и эл ектрическогозаряда . Она в наиболее ясном виде изложена в 7-й серии, 13-й раздел которой носит характерное название «Об абсолютном количестве электричества, связанном с частицами или атомами материи». В 11-й серии Фарадей подробно исследует диэлектрики. Здесь он вводит новую величину, называя ее удельной индукцией, или удельной индуктивной способностью. Сейчас мы ее называем диэлектрической проницаемостью е. Здесь же Майкл Фарадей описывает разные формы разряда в газах. Обнаруженное им темное пространство, разделяющее области свечения у катода и анода, ныне называют фарадеевым. Можно еще долго описывать удивительные экспериментальные достижения Фарадея (см., например, рис. 37) и его редкие по красоте объяснения наблюдаемых явлений. Они часто базировались не на доскональном знании теоретических основ открытого эффекта, но на невероятной научной интуиции, которой обладал Майкл Фарадей. Сказанного достаточно и для того, чтобы понять, каким удивительным было разнообразие его интересов. И все-таки отметим еще несколько достижений Майкла Фарадея. Например, в 2071-м параграфе «Экспериментальных исследований по электричеству», датированном 29.12.1839 г., приведена законченная качественная формулировка закона сохранения и превращения энергии. В 19-й серии описан эффект вращения плоскости поляризации, который сейчас носит наименование эффекта Фарадея. Для истории физики важно не только перечисление достижений М. Фарадея. Еще более значимо то, что он пришел к фундаментально новой идее — и дее поля. Эта идея с точки зрения высокой теории несколько наивна — Фарадей никогда не был силен в теории, он ведь не имел систематизированного математического образования, и математически ее сформулировал Дж. К. Максвелл. Зато Фарадей был прекрасным экспериментатором, изобретателем новых методов исследования физических явлений и методики их наглядного описания. Так, например, он разработал методику исследования магнитного поля с помощью гальванометра. Он же ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий. Отношение современников к Фарадею было двойственным. С одной стороны, нельзя было не восхищаться его экспериментальными достижениями, интуитивным умением дать объяснение самым сложным и необычным явлениям. С другой стороны, современники видели ограниченность математического аппарата, который использовался Фарадеем. Научный снобизм часто не позволял коллегам Фарадея понять истинное значение его открытий. Сейчас, по прошествии многих лет, мы можем более адекватно оценить вклад М. Фарадея в физическую науку. Проще всего это сделать путем сравнения. Майкл Фарадей сыграл в электромагнетизме ту же роль, какую сыграл Галилео Галилей в механике. Оба они выполнили основополагающие эксперименты, которые легли в основу теоретических концепций Ньютона в механике и Максвелла в электродинамике. Как без Галилея были бы невозможны открытия Ньютона, так и теоретические прозрения Максвелла не могли состояться без работ Фарадея. И в этом главная заслуга последнего перед наукой. Экспериментальные открытия Фарадея подготовили приход в физику Дж. К. Максвелла и его электродинамики. Биографии первооткрывателей законов электромагнетизма Бенджамен Франклин (1 7 0 6 — 1790) — американский физик и общественный деятель, один из «отцов-основателей» США, чей портрет можно увидеть на 100-долларовой ассигнации. Он родился в 1706 г. в семье бостонского мыловара. Б. Франклин рано начал трудовую деятельность, помогая отцу, а потом брату, владевшему небольшой типографией. Занимался самообразованием, затем стал пробовать себя в журналистике. Постепенно Франклин добился успехов и стал уважаемым человеком. Большую часть жизни он прожил в Филадельфии, где занимал целый ряд выборных должностей, стал основателем Пенсильванского университета, публичной библиотеки, Филадельфийского философского общества. Во время борьбы за независимость США Франклин был послом во Франции, сумев добиться ее поддержки в борьбе своей страны с Англией. Б. Франклин был в числе авторов «Декларации независимости», являлся одним из тех, кто подписал мирный договор с Англией, принимал участие в разработке Конституции США. Воистину — отец-основатель государства. Умер Франклин в 1790 г. Научные работы Б. Ф ранклина посвящены изучению электрических явлений; он осуществил ряд принесших ему широкую известность экспериментов. В частности, ученый объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, доказал электрическую природу молнии. Как теоретик Франклин построил унитарную теорию электрических явлений, в рамках которой электричество представляет собой особую жидкость, пронизывающую все тела. В унитарной теории содержалось понятие о положительном и отрицательном электричестве, а также закон сохранения электрического заряда. Георг Вильгельм Рихман (1711 — 1753) — русский физик. Родился в 1711 г. в Пярну (тогда он назывался Пернов), учился в университетах Лейдена и Иены. С 1735 г. Рихтер работал в Петербургской академии наук, являясь ее профессором с 1741 г., а с 1744 г. — руководителем физического кабинета. Основным достижением Рихмана было создание в 1745 г. «электростатического указателя», с помощью которого он пытался подвергнуть электрические явления количественному анализу. В работе «Рассуждения об указателе...» он самокритично заметил, что ему не удалось создать совершенный электрометр. И немудрено. Такие электрометры были созданы только во второй половине XIX в. В 1752—1753 гг. Г. В.Рихман исследовал атмосферное электричество и 26 июля 1753 г. погиб во время опытов от удара молнии. Генри Кавендиш (1 7 3 1 — 1810) — английский физик, отпрыск знатного английского рода, лорд. Родился в Ницце, окончил Кембриджский университет. Будучи мизантропом и женоненавистником, он всю жизнь почти безвыездно провел в своем имении, имея лишь одну страсть — занятия наукой. Г. Кавендиш крайне неохотно публиковал результаты своих научных работ, в связи с чем долгое время его исследования по электричеству не были никому известны. Лишь после того как Дж. К. Максвелл в 1879 г. опубликовал эти работы, стало ясно, что Кавендиш открыл закон взаимодействия электрических зарядов еще в 1771 г., однако не опубликовал свое открытие, и это стоило ему приоритета (рис. 38). В других исследованиях по электричеству Г. Кавендиш установил влияние среды на емкость конденсатора и определил диэлектрическую проницаемость ряда веществ. В историю физики Генри Кавендиш вошел как человек, «взвесивший» земной шар. В 1798 г. он провел знаменитые опыты с крутильными весами, которые позволили подтвердить закон всемирного тяготения и определить величину гравитационной постоянной у. Есть у него и другие достижения в физике и химии. Шарль Огюстен Кулон (1736 —1806) (см. рис. 39) — французский физик и военный инженер. Родился в Ангулеме, окончил школу военных инженеров и всю жизнь находился на военной службе. Исследуя процессы кручения нитей, он открыл очень чувствительный метод измерения силы. На этой основе были созданы крутильные весы,послужившие основным устройством для измерения сил, возникающих при взаимодействии электрических зарядов и точечных магнитных полюсов. Эти измерения легли Рис. 38. Опыт Кавендиша Рис. 39. Ш. Кулон Рис. 40. А. М. Ампер в основу фундаментального закона электростатики — закона Кулона. Шарль Кулон — основатель электро и магнитостатики. Андре Мари Ампер (1775— 1836) (рис. 40) — французский физик. Родился в 1775 г. в Лионе в семье коммерсанта, очень рано проявил выдающиеся способности. Получил домашнее образование. Поеле казни отца в 1793 г. А. М. Ампер становится преподавателем. С 1808 г. он — профессор политехнической школы, с 1814 г. — академик. Научные интересы Ампера отличаются большим разнообразием: от оптики до ботаники, от химии до сравнительной зоологии живых организмов. Однако главные достижения Ампера — работы по электродинамике. В 1826 г. выходит его главный труд — «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В нем подытоживаются результаты исследований за шесть лет. Здесь изложена электродинамика Ампера, историческое значение которой очень велико, в течение нескольких десятилетий она играла ведущую роль в учении об электромагнетизме. Эта теория была создана по образу и подобию «Начал» Ньютона, что позволило Максвеллу назвать Ампера «Ньютоном электричества». Личная жизнь А. Ампера была довольно сложной. Гибель отца, смерть горячо любимой матери, первой жены, неудачный второй брак, слабое здоровье. Отразились на нем и события «ста дней». Умер Ампер в 1836 г. Майкл Фарадей (1791 — 1867) (см. рис. 41) — английский физик. Родился в 1791 г. в семье лондонского кузнеца. После окончания начальной школы поступил в ученики к переплетчику. Здесь он восполнял чтением недостатки образования, посещал популярные лекции по физике и химии, которые читал известный химик и физик Гемфри Дэви (1778—1829). Последний сделал Фарадея своим ассистентом. Гениальный самородок вступил на путь, ведущий его к бессмертию. Физические исследования Фарадея посвящены электромагнетизму. Первые достижения ученого — открытие законов электролиза. Вскоре его заинтересовало магнитное поле вокруг тока, которое может дать возможность механического вращения. Затем Фарадей поставил перед собой задачу превратить магнетизм в электричество. Это привело к открытию в 1831 г. явления Рис. 41. М.Фарадей электромагнитной индукции. Список открытий М. Фарадея очень велик; с 1831 г. он регулярно публиковал статьи, которые составили затем трехтомный труд «Экспериментальные исследования по электричеству». Н о самым важным в работах Майкла Фарадея следует считать введение им понятия поля. По мнению А. Эйнштейна, это было самой оригинальной идеей Фарадея и самым важным открытием со времен Ньютона. М .Фарадей был замечательным популяризатором физики. Его знаменитая книга «История свечи» переведена почти на все языки мира. Скончался Майкл Фарадей 25 августа 1867 г. Вопросы и задания для самостоятельной работы 1. Первые опыты по электричеству. 2. Русские исследователи электричества. 3. Научная биография Б ендж амена Франклина. 4. Луиджи Гальвауи и его научная деятельность. 5. Чьими именами названы единицы в электромагнетизме? 6. И стория установления понятия эл ектрического и м агнитного полей. 7. Майкл Фарадей: биография, изобретения, научные достиж ения. 8. Христиан Эрстед: биография и научная деятельность. 9. Теория электромагнетизма А. Ампера — успехи и недостатки. 10. Электромагнетизм как основа для технических прим енений. Рекомендуемая литература Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — 2 -е изд. — М ., 1982. Кудрявцев П. С. История физики: В 3 т. — М ., 1956— 1971. 109 Спасский Б. И. Курс истории физики: В 2 т. — М., 1977. Дорфмаи Я. Г. Всемирная история физики: В 2 т. — М ., 1974— 1979. Голин Г. М ., Филоновин С. Р. Классики ф изической науки: Хрестома­ тия. — М., 1989. Храмов Ю .А. Физики: Биографический справочник. — М ., 1983. Тредер Г. Ю. Эволюция основны х ф изических идей. — Киев, 1989. Д ук ов В. М. Электродинамика. — М ., 1975. Д ук ов В. М. Электрон. — М., 1966. Филоновин С. Р. Кавендиш , Кулон и электростатика. — М ., 1988. Филоновин С. Р. Ш .К улон. — М., 1988. Кавендиш Г. Экспериментальное определ ение закона электрической силы / / Квант. — 1981. — № 10. — С. 22 — 26. Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. — М., 1 9 4 7 - 1 9 5 9 .- Т . 1 - 3 . Фарадей М. История свечи. — М ., 1980. Белъкинд Л .Д . А ндре-М ари Ампер. — М ., 1968. Коишанов В. В. Георг Ом. — М., 1980. Кудрявцев П. С. Фарадей. — М ., 1968. Околотин В. Вольта. — М ., 1986. Цверава Г. К. Д ж озеф Генри. — Л ., 1983. Книж ны е серии: Ж ЗЛ, «Люди науки при реш ении конкретных за­ дач», «Творцы науки и техники». Лекция 9 ДЖ . К. МАКСВЕЛЛ И ЕГО ЭЛЕКТРОМ АГНИТНАЯ ТЕОРИЯ Открытия Фарадея революционизировали науку об электричестве. С его легкой руки электричество начало завоевывать все но­ вые позиции в технике. Заработал электромагнитный телеграф. В начале 70-х гг. XIX столетия он уже соединял Европу с США, Индией и Южной Америкой, появились первые генераторы электрического тока и электродвигатели, электричество начало широко использоваться в химии. Электромагнитные процессы все глубже исследовались наукой. Наступила эпоха, когда электромагнитная картина мира готова была сменить механическую. Нужен был гениальный человек, который смог бы, как в свое время Ньютон, объединить Рис. 42. Д. К. Максвелл накопившиеся к этому времени факты и знания и на их основе создать новую теорию, описывающую законы нового мира. Таким человеком стал Джеймс Клерк М аксвелл (рис. 42). По происхождению Дж. К. Максвелл принадлежал к знатному шотландскому роду. В его семье всегда господствовал дух познания природы. Отец будущего великого физика был путешественником, изобретателем, ученым. Джеймс Клерк Максвелл родился в 1831 г. в Эдинбурге и с раннего детства проявил способности естествоиспытателя. Отец отдал его в закрытую школу (Эдинбургскую академию), где мальчик учился без интереса до V класса. Затем он увлекся геометрией и в 15 лет опубликовал свою первую научную работу. Этой статьей 1846 г. открывается Собрание сочинений Максвелла. В 1847 г. Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где увлекся физикой и в 1850 г. сделал в Эдинбургском королевском обществе доклад о равновесии упругих тел, в котором обосновывается известная теперь в теории упругости теорема Максвелла. В том же году Дж. К. Максвелл перевелся в Кембриджский университет, в знаменитый Тринити-колледж, давший миру Ньютона и не только его. В 1854 г. Максвелл выдержал экзамен и вступил, как он выражался, в «ужасное сословие бакалавров». Теперь его интересы лежали в области электричества и оптики. Он разрабатывал теорию цветового зрения, сконструировал цветовой волчок, много размышлял над опытами Фарадея. Вернувшись после смерти отца в Шотландию, где он получил профессуру в Абердине, Максвелл продолжил работу над проблемами электродинамики. В 1857 г. он послал Фарадею свой мемуар «О фарадеевских силовых линиях», который очень понравился маститому ученому. По мнению А. Эйнштейна, Фарадей и Максвелл сыграли в науке об электричестве те же роли, что Галилей и Ньютон в механике. Как Ньютон придал открытым Галилеем механическим эффектам математическую форму и физическое обоснование, так и Максвелл сделал это по отношению к фарадеевским открытиям. Максвелл придал идеям Фарадея строгую математическую форму, ввел термин «электромагнитное поле», сформулировал математические законы, описывающие это поле. Галилей и Ньютон заложили основы механической картины мира, Фарадей и Максвелл — электромагнитной. Свои идеи об электромагнетизме Максвелл обдумывает с 1857 г., когда была написана уже упоминавшаяся статья «О фарадеевских силовых линиях». Здесь он широко пользуется гидродинамическими и механическими аналогиями. Это позволило Максвеллу применить математический аппарат известного ирландского математика Гамильтона, и выразить таким образом электродинамические соотношения на математическом языке. В дальнейшем на смену гидродинамическим аналогиям приходят методы теории упругости: понятия деформации, давления, вихрей и т.п. Исходя из этого, Максвелл непостижимым для нас образом приходит к уравнениям поля, которые на этом этапе еще не приведены к единой системе. Именно в это время Дж. К. М акс­ велл, исследуя диэлектрики, высказывает идею токов смещения, а также — пока еще туманным образом — мысль о связи света и электромагнитного поля (электротонического состояния, в фарадеевской формулировке, которую Максвелл тогда использовал). Эти идеи выражены в статье «О физических линиях сил» (1861 — 1862). Она написана в наиболее плодотворный Лондонский период (1860—1865), когда Дж. К. Максвелл был профессором Кинг-колледжа в Лондоне. В это время он встретился с Фарадеем. Тогда же вышли его знаменитые статьи «Динамическая теория поля» (1864— 1865), где высказаны мысли о единой природе электромагнитных волн. В 1865 г., после происшедшего с ним несчастного случая, Дж. К. Максвелл уезжает в свое имение Гленлэр, где продолжает исследования. В 1871 г. случилось важное событие. На средства потомков Генри Кавендиша в Кембридже была учреждена кафедра экспериментальной физики и начата постройка здания экспериментальной лаборатории, которая в истории физики известна как Кавендишская.лаборатория. Дж. К. Максвелл был приглашен стать первым профессором кафедры и заведовать лабораторией (рис. 43). В октябре 1871 г. он прочел свою инаугурационную лекцию о функциях экспериментальной деятельности в университетском образовании. Эта лекция стала программой обучения экспериментальной физике на долгие годы. 16 июня 1874 г. Кавендишская лаборатория была открыта. С тех пор она стала центром мировой физической науки, каковым является и сейчас. За сто с лишним лет через нее прошли тысячи ученых, среди которых много тех, кто составил славу мировой науки. После Максвелла Кавендишской лабораторией заведовали многие вы даю щ иеся ученые: Дж .Дж . Томсон, Э. Резерфорд, Л. Брэгг, Н. Ф. Мотт, А. Б. Пип Рис. 43. Кавендишская лаборапард и др. тория в Кембриджском Во времена Максвелла лаборауниверситете тория представляла собой трехэтаж112 ное здание, на первом этаже которого были расположены комнаты для исследований по магнетизму, маятникам и теплоте. Здесь же размещались кладовые, кухня и гостиная. Второй этаж занимали комнаты профессора и его лаборатория, лекционные и аппаратурные кабинеты. Верхний этаж был отдан под лаборатории акустики, оптики, электричества, комнаты для производства фоторабот и обработки результатов и вычислений. Внутри лабораторных комнат были предусмотрены все возможные удобства для проведения исследований. По тому времени оснащение было наилучшим. Спустя три года после открытия Кавендишской лаборатории Максвелл писал, что она включает «все инструменты, требуемые настоящим состоянием науки». Однако вернемся к Максвеллу. На первых порах кафедру экспериментальной физики посещало не слишком много студентов (их отговаривали профессора других кафедр). Пришли в основном те, кто, сдав математическую часть, хотел приобрести экспериментальные навыки (С.Саундер, Г. Кристалл, А. Шустер и др.). Перед началом деятельности они проходили небольшой общий практикум, знакомились с приборами, учились делать отчеты и т.п. Здесь были заложены основы будущего общего практикума лаборатории. Максвелл оказал решающее влияние на все дальнейшее развитие Кавендишской лаборатории. Это признавали все его совре­ менники. У. Томсон в 1882 г. писал, в частности, о «взлете физической науки в Кембридже в течение последних 10 лет, и это целиком обусловлено максвелловским влиянием». Кавендишский период был одновременно и значительным этапом работы Максвелла над проблемами электродинамики. Он ха­ рактеризуется синтезом электромагнетизма и оптики. Дж. К. Максвелл приходит к ясному определению электромагнитного поля как вида материи, выражая все его проявления в виде системы 20 уравнений (впоследствии Оливер Хевисайд и Генрих Герц привели систему уравнений Максвелла к тому виду, который принят сейчас). Уравнения Максвелла — одно из величайших достижений не только физики, но и цивилизации вообще. Они сочетают в себе строгую логичность, характерную для естественных наук, с красотой и соразмерностью, которыми отличаются искусство и гуманитарные науки. Уравнения с максимально возможной точно­ стью отражают сущность природных явлений, они обладают свойствами, позволяющими предсказывать новые, неизвестные до сих пор, физические явления. Потенциал уравнений Максвелла далеко не исчерпан, на их основе проводятся объяснения новейших открытий в различных областях физики — от сверхпроводимости до астрофизики. Знание уравнений Максвелла, по крайней мере их физической сущности, — обязательно для любого образованного человека, не только физика. На основании полученных уравнений Дж. К. Максвелл решает конкретные задачи: определяет коэффициент преломления диэлектриков (п = 7ф)> рассчитывает коэффициенты самоиндукции, взаимоиндукции катушек и т.д. Проследим путь, который привел Дж. К. Максвелла к системе уравнений, носящих теперь его имя. Для описания поля Максвелл вводит скалярные и векторные функции координат. Векторные уравнения он расписывает в координатах, получая «триплеты» уравнений. Термины, предложенные Максвеллом, с течением времени сменили названия, оставшись теми же по физической сути. Так, максвелловский «электромагнитный момент» («электромагнитное количество движения») теперь является вспомогательной величиной — векторным потенциалом и т. п. Дж. К. Максвелл в своих физических воззрениях всегда был сторонником идей эфира — невесомой и невидимой электрической жидкости (среды), заполняющей всю Вселенную, которую можно принять за неподвижную систему отсчета. Он стимулировал попытки ученых обнаружить «неподвижней эфир». Механика очень крепко сидела в нем. Максвеллу казалось, что, предлагая свои уравнения, он создает механику эфира. Так, например, уравнение для индукции электрического поля (в современных обозначениях, но так, как это написал Максвелл) имеет вид х Е = — ~ dt ' Дж. К. Максвелл считал это выражение аналогичным выражению для силы инерции в механике: V дР - t -------. р = mv. д Г В современной форме, как вы знаете, уравнение Максвелла можно записать как В = rot А, Е - ^г; - я ] - ^ - grad ц/, где ц/ — скалярный потенциал. Затем Дж. К. Максвелл записывает уравнение силы, действующей со стороны поля на единицу объема проводника: 7 -\Щ К нему он добавляет «уравнение намагничивания» В = Н + 4 л / 114 и «уравнение электрических токов» (первое уравнение Максвелла) ут 4л - 1 3D rot Н = с с dt Вектор электрического смещения, связанный с напряженностью электрического поля, по Дж. К. Максвеллу, имеет вид D = — E. 4 па Затем ученый записывает закон Ома в дифференциальной форме J = с Е , уравнение B = \iH и граничное условие Д„ + D„2 = о. Такова система уравнений по Дж. К. Максвеллу. Нужно учесть также векторный характер ряда уравнений, которые у Максвелла записаны в трехмерной системе координат. Уравнения Максвелла позволяют сделать целый ряд важнейших выводов. Может быть, главный из них — существование поперечных электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью с V = Tz Уравнения Максвелла явились предтечей новой, неклассической, физики. Хотя сам Максвелл по своим убеждениям был человеком классическим до мозга костей, написанные им уравнения принадлежали уже другой науке, отличной от той, которая была известна и близка ученому. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея, однако они инвариантны относи­ тельно преобразований Лоренца, которые, в свою очередь, лежат в основе новой релятивистской физики. При жизни Дж. К. Максвелла — а он умер в 1879 г. — его теория не получила всеобщего признания, считаясь непонятной, математически нестрогой и т. п. Фактически ее признали лишь после опытов Г. Герца и П. Н.Лебедева, этому способствовали упомянутые выше работы Г. Герца и О. Хевисайда. Сам же Дж. К. Максвелл был глубоко убежден в правильности сделанных им выводов, и его не смущали расхождения с экспериментами, которые тогда имели место. До сих пор в основном обсуждалась деятельность Дж. К. Максвелла как творца электродинамики. Однако он сделал крупнейшие открытия и в других областях физики. Необходимо сказать об этом сейчас, иначе биография Дж. К. Максвелла будет неполной. Одна из первых научных работ, принесших славу ученому, — относится к кинетической теории газов (1859). Она знаменует собой начало нового подхода к изучению систем, состоящих из многих тел. Впервые в физику пришли из математики вероятностные методы. Для описания процессов, происходящих в газах, необходимо было пользоваться статистическими понятиями: распределение, дисперсия, среднеквадратическое отклонение и т.п. Вклад Дж. К.Максвелла в это направление физики канонизирован: многие методы, предложенные им, носят его имя. Хорошо известно распределение молекул газа по скоростям, а также мысленный эксперимент, носящий название «демон Максвелла», который стимулировал поиски статистической интерпретации второго начала термодинамики. Менее значимые, однако тоже впечатляющие работы Дж. К. Максвелла — исследование эффектов цветового зрения (рис. 44), расчет механики колец Сатурна (ученый математически доказал, что они состоят из отдельных частиц), теория явлений переноса в газах и т. п. Дж. К. Максвелл — гигантская фигура в физической науке и вообще в человеческой цивилизации. Рассказывать о нем одновременно легко и трудно. Легко — потому что его свершения хорошо известны и признаны. Трудно — потому что процесс творчества гения может по-настоящему оценить только гений. После Максвелла электродинамика стала принципиально иной. Как же она развивалась? Отметим основное направление развития — экспериментальное подтверждение основных положений теории. Но отличие состояло не только в этом. Сама теория требовала другой интерпретации. В этом отношении необходимо отметить заслуги русского ученого Николая Александровича Умова (1846—1915), который заведовал кафедрой физики Московского университета с 1896 по 1911 г. Основная заслуга Умова — разработка учения о движении энергии, потоке энергии (вектор Умова). Эти работы относятся к 1874 г. и были сделаны для акустических волн. Через 11 лет английский ученый Дж. Г. Пойнтинг (1852— 1914) выполнил то же самое для потока электромагнитной энергии (вектор Умова — Пойнтинга). Пойнтинг решил эту задачу самостоятельно, не зная работы Умова, которая вышла в Одессе на русском языке отдельной брошюрой, причем оба ученых шли одним путем. Дж. Г. Пойнтинг был одним из тех ученых, кто сразу принял теорию Максвелла. Нельзя сказать, что на их стороне было большинство. Это понимал и сам Максвелл. В то же время он знал, что с появлением теории электромагнетизма познание природы под­нялось на качественно иной уровень, который, как это всегда бывает, еще больше отдаляет нас от непосредственных чувственных представлений. Это — нормальный закономерный процесс, сопровождающий все развитие физики. Еще Аристотель говорил, что познание идет «к более явному по природе», но «менее явному для нас». История физики дает множество примеров сказанному. Достаточно вспомнить положения квантовой механики, специальной теории относительности, других современных теоретических моделей и теорий. Так и электромагнитное поле во времена Максвелла было очень далеко от привычных понятий и чувственного восприятия. Развитие техники радиосвязи превратило электромагнитное поле в известное и привычное для всех понятие. Однако изучая историю науки, мы должны помнить, что многие ее достижения с большим трудом входили в жизнь и сознание людей. Решающую роль в победе теории Дж. К. Максвелла сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857— 1894). Интерес Г. Герца к электродинамике был стимулирован Г. JI. Гельмгольцем, который, считая необходимым «упорядочить» эту область физики, предложил Г. Герцу заняться процессами в незамкнутых электрических цепях. Сначала Герц отказался от темы, но затем, работая в Карлсруэ, обнаружил там приборы, которые можно было использовать для подобных исследований. Это и предопределило выбор, тем более что сам Герц, хорошо зная теорию Дж. К. Максвелла, был полностью подготовлен к подобным исследованиям. К началу работ Г. Герца электрические колебания были уже довольно подробно изучены. У.Томсоном было получено выражение, которое теперь известно каждому школьнику: Т = 2п\Га С, где А — индуктивность, которую Томсон называл «электродинамической емкостью» проводника. Формула получила подтверждение в экспериментах В.Федерсена (1832— 1918), который изучал колебания искрового разряда лейденской банки. В статье «О весьма быстрых электрических колебаниях» (1887) Г. Герц приводит описание своих опытов. Их суть поясняет рисунок 45. В окончательном виде используемый Г. Герцем колебательный контур представлял собой два проводника С и С', расположенных на расстоянии около 3 м друг от друга и соединенных медной проволокой, в середине которой находился разрядник В индукционной катушки. Приемник представлял собой контур acdb с размерами 80 х 120 см с искровым промежутком М в одной из коротких сторон. Детектирование определялось по наличию слабой искры в разряднике М. Проводники, с которыми экспериментировал Герц, — это, говоря современным языком, антенна с детектором. Они теперь носят названия вибратора и резонатора Герца. Суть полученных результатов состояла в том, что электрическая искра в разряднике В вызывала искру в разряднике М. Сначала Герц, объясняя опыты, не говорит о максвелловских волнах. Он говорит лишь о «взаимодействии проводников» и пытается искать объяснение в теории дальнодействия. В том же 1887 г. в работе «О влиянии света на электрический разряд» ученый описывает явление, которое затем стало называться внешним фотоэффектом. Герц обнаружил, что ультрафиолетовое излучение, сопровождающее искру в разряднике генератора, облегчает электрический разряд в приемнике. Данный эффект затем систематически исследовал русский ученый Александр Григорьевич Столетов (1839— 1896). Проводя эксперименты, Герц обнаружил, что на малых расстояниях характер распространения «электрической силы» аналогичен полю диполя, а далее она убывает медленнее и имеет угловую зависимость. Мы бы сейчас сказали, что разрядник обладает анизотропной диаграммой направленности. Это, конечно, в корне противоречит теории дальнодействия. Анализируя результаты экспериментов и выполнив собственные теоретические исследования, Г. Герц принимает теорию Максвелла. Он приходит к выводу о существовании электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. Теперь уравнения Максвелла — это уже не абстрактная математическая система, и их следует привести к такому виду, чтобы ими было удобно пользоваться. Г. Герц модернизирует и упрощает систему уравнений Максвелла, вывог 0 см дит из нее теорему Пойнтинга («в высшей степени замечательную», как - 50 он говорит). Мы сейчас пишем уравнения Максвелла в форме, предложенной Герцем (за исключением обозначений L 100 ). Он также дополнил учение Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально предсказанные теорией Дж. К. Максвелла электромагнитные волны и — что не менее важно — доказал их тождество со светом. Для этого нужно было просто убедиться, что с помощью электромагнитных волн можно наблюдать известные эффекты Рис. 46. Зеркала Герца оптики: преломление и отражение, поляризацию и т.д. Г. Герц выполнил эти исследования, потребовавшие виртуозного экспериментального мастерства: он провел эксперименты по распространению, отражению, преломлению, поляризации открытых им электромагнитных волн. Он построил зеркала для экспериментов с этими волнами (зеркала Герца), призму из асфальта, и т. п. Зеркала Герца показаны на рисунке 46. Опыты показали полную тождественность наблюдавшихся эффектов с теми, что были хорошо известны для световых волн. В 1889 г. на съезде немецких естествоиспытателей и врачей Герц прочел доклад «О соотношении между светом и электричеством», где отметил огромную важность теории Максвелла, теперь уже подтвержденной опытами. Опыты Герца произвели фурор в научном мире. Их многократно повторяли и варьировали. Одним из таких экспериментаторов был Павел Николаевич Лебедев (1866— 1912). Он получил самые короткие на тот момент электромагнитные волны и в 1895 г. проделал с ними опыты по двойному лучепреломлению. В своей работе П. Н. Лебедев поставил задачу постепенного уменьшения длины волны электромагнитного излучения, с тем чтобы в конце концов сомкнуть их с длинными инфракрасными волнами. Самому Лебедеву выполнить задачу не удалось, однако это осуществили в 20-х гг. XX столетия русские ученые А. А. Глаголева-Аркадьева и М. А. Левицкая. Однако главная заслуга Лебедева перед физикой не в этом, а скорее в том, что он экспериментально измерил предсказанное Рис. 47. Опыт П. Н. Лебедева теорией Дж. К. Максвелла световое давление. Изучению этого эффекта Лебедев посвятил всю жизнь: в 1899 г. был поставлен эксперимент, доказавший наличие давления света на твердые тела, а в 1907 г. — на газы (рис. 47). Работы П. Н. Лебедева по световому давлению стали классическими, они являются одной из вершин эксперимента конца XIX — начала XX в. Опыты Лебедева по световому давлению принесли ему мировую славу. По этому поводу У. Томсон говорил: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, а вот... Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». Опыты Г. Герца и П. Н. Лебедева окончательно подтвердили правильность теории Максвелла. Что же касается практики, т.е. применения законов электромагнетизма, то к началу XX в. человечество уже жило в мире, в котором электричество стало играть огромную роль. Этому способствовала бурная изобретательская деятельность в области применения открытых физика ми электрических и магнитных явлений. Отметим некоторые из таких изобретений. Одно из первых применений электромагнетизм нашел в технике связи. Телеграф существовал уже с 1831 г. В 1876 г. американский физик, изобретатель и предприниматель Александр Белл (1847—1922) изобрел телефон, который затем был усовершенствован знаменитым американским изобретателем Томасом Альва Эдисоном (1847— 1931). Основанная Беллом фирма и по сию пору является одной из ведущих в мире в области связи. 1896 г. был отмечен изобретением радио. Принципы радиосвязи описал в 1892 г. английский физик Уильям Крукс (1832— 1912). Русский физик Александр Степанович Попов (1839— 1906) и итальянец Гульельмо Маркони (1874— 1937) фактически одновременно осуществили ее на практике. Обычно в таких случаях возникает вопрос о приоритете данного изобретения. А. С. Попов несколько раньше продемонстрировал возможности созданного им устройства, но не запатентовал его, как это сделал Маркони. Последнее и определило бытующую на Западе традицию считать Маркони «отцом» радио. Этому способствовало присуждение ему Нобелевской премии в 1909 г. А. С. Попов, по всей видимости, также был бы среди лауреатов, однако его к тому времени уже не было в живых, а Нобелевская премия присуждается только здравствующим ученым. Электричество пытались использовать для освещения еще в XVI11 в. — это была вольтова дуга. В дальнейшем этот прибор усовершенствовал Павел Николаевич Яблочков (1847—1894), который в 1876 г. изобрел первый пригодный для практического применения электрический источник света (свечу Яблочкова). Она, однако, не нашла широкого применения в первую очередь потому, что в 1879 г. Т. Эдисоном была создана лампа накаливания достаточно долговечной конструкции и удобная для промышленного изготовления. Отметим, что изобретена лампа накаливания была еще в 1872 г. русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным (1847— 1923). Биографии крупнейших ученых, работавш их в области электромагнетизма Генрих Рудольф Герц (рис. 48) — немецкий физик. Родился в 1857 г. в Гамбурге в семье адвоката. Учился в Мюнхенском университете, а затем — в Берлинском, у Гельмгольца. С 1885 г. работал в Высшей технической школе в Карлсруэ, где и начинались его исследования, приведшие к открытию электромагнитных волн. Они были продолжены в 1890 г. в Бонне, куда Герц переехал, сменив на посту профессора экспериментальной физики Р. Клаузиуса. Здесь он продолжил занятия электродинамикой, однако постепенно его интересы сместились к механике. В частности, он пытался изложить механику, не используя понятие «сила». Это ему не удалось, однако сформулированные им принципы сыграли определенную роль в развитии философии XIX в. Рис. 48. Г. Р. Герц Умер Г. Герц 1 января 1894 г. совсем еще молодым человеком в расцвете таланта в возрасте 36 лет, и его учителя пережили его. Гельмгольц умер в августе того же года. Павел Николаевич Лебедев (рис. 49) — русский физик, родился в 1866 г. в Москве, закончил Страсбургский университет и в 1891 г. начал работать в Московском университете. Лебедев остался в истории физики как экспериментатор-виртуоз, автор исследований, выполненных скромными средствами на грани технических возможностей того времени. Рис. 49. П. Н. Лебедев П. Н. Лебедев вошел в историю физики не только как первоклассный экспериментатор, но и как основатель общепризнанной научной школы в Москве, откуда вышли известные русские ученые П. П. Лазарев, С. И. Вавилов, А. Р. Колли и др. П. Н. Лебедев умер в 1912 г. вскоре после того, как он в группе прогрессивных профессоров покинул Московский университет в знак протеста против действий тогдашнего министра просвещения Кассо. Николай Александрович Умов (1846— 1915) (рис. 50) — русский физик. Родился в г. Симбирске (ныне Ульяновск), окончил Московский университет. Преподавал в Новороссийском университете (г. Одесса), а затем в Московском, где с 1896 г., после смерти А. Г. Столетова, возглавлял кафедру физики. Работы Н.А. Умова посвящены различным проблемам физики. Главная из них — создание учения о движении энергии (вектор Умова), которое он изложил в 1874 г. в своей докторской диссертации. Н.А.Умов был наделен высокой гражданской ответственностью. Он был среди тех, кто в 1911 г. покинули Московский университет в знак протеста против действий Кассо. Умов был активным пропагандистом науки, популяризатором научных знаний. Практически первым из учеРис. 50. Н. А.Умов ных-физиков он понял необходимость серьезных и целенаправленных исследований вопросов методики преподавания физики. Большинство ученых-методистов старшего поколения — его ученики и последователи. Александр Степанович Попов (1859 — 1906) (рис. 51) — русский ученый, изобретатель радио. Родился в с. Турьинские Рудники (ныне г. Краснотурьинск Свердловской области), окончил Петербургский университет, преподавал в военных учебных заведениях Кронштадта, а затем в Петербургском электротех ническом институте. Рис. 51. А. С. Попов Научные исследования Попова относятся к различным проблемам электротехники и радиотехники. Он повторил опыты Герца и впервые предложил использовать их для радиосвязи. 7 мая 1895 г. продемонстрировал «грозоотметчик» — прибор для приема сигналов от грозовых разрядов. 24 марта 1896 г. передал первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: «Генрих Герц». Скончался А. С. Попов в начале 1906 г. Гульельмо Маркони (1874— 1937) — итальянский радиотехник, родился в Болонье, получил домашнее образование. В 1897 г. оформил в Англии патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи (А. С. Попов свое изобретение не патентовал). Будучи состоятельным человеком, Г. Маркони добился быстрого и широкого применения нового способа связи. Так, уже в 1902 г. он осуществил радиосвязь через Атлантический океан. Г. Маркони — лауреат Нобелевской премии 1909 г. Вопросы и задания для самостоятельной работы 1. На чем основана теория Максвелла? 2. Уравнения Максвелла. Ф изическая сущ ность. 3. История уравнений Максвелла. 4. Максвелл, его биография и научные достиж ения в электродина­ мике и других областях физики. 5. Максвелл — первый директор Кавендиш ской лаборатории. 6. Генрих Герц. Биография и научные достиж ения. 7. И стория обнаруж ения электромагнитных волн и их идентифика­ ции со светом. 8. Опыты П. Н .Лебедева: схема, задачи, трудности и значение. 9. История открытия и исследования ф отоэф ф екта. 10. История открытия радио и радиосвязи. 11. Как был изобретен и усоверш енствован электрический телеграф? 12. И сторические этапы развития электротехники. 13. История создания осветительных приборов. Рекомендуемая литература Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — 2-е изд. — М., 1982. Кудрявцев П. С. История физики: В 3 т. — М ., 1956— 1971. Спасский Б. И. Курс истории физики: В 2 т. — М., 1977. Дорфман Я. Г. Всемирная история физики: В 2 т. — М., 1974— 1979. Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики ф изической науки: Х рестома­ тия. — М., 1989. Виргинский В. С., Хотеенков В. Ф. Очерки истории науки и техники в 1 8 7 0 - 1 9 1 7 гг. - М., 1988. Храмов Ю .А. Физики: Биографический справочник. — М ., 1983. Липсон Г. Великие эксперименты в ф изике. — М ., 1974. Чолаков В. Н обелевские премии: Ученые и открытия. — М ., 1986. Максвелл Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме. — М ., 1989. Болотовский Б. М. Оливер Хевисайд. — М., 1985. Григорьян А. Т., Вяльцев А. Н. Генрих Герц. — М., 1968. Карцев В.П . Максвелл. — М., 1974. Кудрявцев П. С. Максвелл. — М., 1976. Уилсон М. А мериканские ученые и изобретатели. — М ., 1964. Книжные серии: Ж ЗЛ, «Люди науки», «Творцы науки и техники».