Глава IV. Исторические экскурсы в курсе физики X класса

1. К истории понятия электромагнитного поля

Представление о поле впервые ввел в физику Фарадей. Обобщение опытных фактов привело Фарадея к двум фундаментальным выводам: первый - электрических флюидов не существует, электричество связано с атомами вещества; второй - дальнодействия не существует, электрические и магнитные силы распространяются по кривым линиям, их конфигурация зависит от свойств среды, через которую они распространяются (близкодействие).

Суть физического представления, которое оформилось в науке со времен Ньютона в концепцию дальнодействия, сводилось к тому, что тела природы и частицы, составляющие эти тела, взаимодействуют между собой. Силы взаимодействия направлены по прямым линиям, которые можно провести от тела к телу, от одной частицы к другой, причем эти силы действуют мгновенно. Такая картина рисовалась для сил тяготения, электрических и магнитных сил.

Фарадей впервые указал, что эта концепция противоречит опытным фактам в области электромагнитных явлений. Ключевым моментом было получение силовых линий вокруг заряженных тел и линий магнитной индукции вокруг постоянных токов. Фарадей разработал методику выявления конфигураций силовых линий и линий магнитной индукции, которой пользуются до сих пор для демонстраций. Тот факт, что линии сил являются кривыми, и их конфигурация изменяется в зависимости от свойств среды, окружающей заряженные тела, послужил основой для первых представлений об электромагнитном поле.

Впервые представление о силовой линии появилось у Эпинуса. Далее их использует И. Зеебек в работе "О магнетизме электрической цепи (1822). С целью доказать существование "магнитной атмосферы" вокруг проводника с током Зеебек осуществил известный опыт с железными опилками. Он нашел, что опилки располагаются вокруг проводника концентрическими кругами. Пропуская ток через согнутую в дугу стальную ленту, Зеебек показал, что картина линий магнитной индукции, очерченных опилками, изменяется при сближении сторон дуги. Таким путем он пытался трактовать причину магнитных действий тока с точки зрения процессов, развивающихся в "магнитной атмосфере" - области пространства, в которой обнаруживаются магнитные силы.

Таким образом, линии магнитной индукции были известны физикам. Но никто не придавал им существенного значения.

Фарадей впервые увидел в картине силовых линий эффективное средство для выражения фактов электромагнетизма. Сначала Фарадей вводит понятие "магнитных кривых" согласно следующему определению: "Под магнитными кривыми я понимаю линии магнитных сил, хотя и искаженные соседством полюсов; эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма небольшие магнитные стрелочки".

На языке "магнитных кривых" и удалось впервые сформулировать закон электромагнитной индукции, охвативший все случаи возбуждения индукционного тока. Вот первая формулировка закона:

"Индуцированный электрический ток, возбуждаемый в движущихся по отношению к магнитам телах, зависит от пересечения магнитных кривых металлом. Если конечный провод перемещается так, что пересекает магнитную кривую, то возникает сила, которая стремится направить сквозь него электрический ток...

Если одна часть провода или металла пересекает магнитные кривые, тогда как другая неподвижна, то токи возникают..."

"Если весь металл движется в одном и том же направлении, но угловые скорости отдельных его частей по отношению к полюсу магнита различны, то токи возникают. Так обстоит дело в опыте Араго, а также в проводе, подвергаемом действию земной индукции, когда он перемещается с запада на восток".

Опыт Араго был опубликован в 1822 г. Металлический диск, подвешенный над магнитом, начинает вращаться при вращении магнита. Равным образом вращается магнит, подвешенный над вращающимся диском. Объяснение этого опыта было дано после открытия правила Ленца.

В середине XIX в. Фарадей высказал следующую смелую гипотезу: силовые линии являются передатчиками световых движений; свет имеет электромагнитную природу, он обусловлен колебаниями в линиях электромагнитного поля, соединяющих Солнце и Землю. Для распространения этих колебаний требуется определенное время.

Силовые линии по Фарадею - это определенные физические образования, аналогичные деформированным резиновым трубкам или жгутам. Так Фарадей материализовал представление об электромагнитном поле.

Современная физика отвергла это механическое представление, однако сохранила основную идею Фарадея: электромагнитное поле является своеобразным материальным объектом. Материальность обнаруживается не в механических эффектах деформаций, натяжений, давлений, а в наличии энергии, импульса, момента импульса, в распространении поля с конечной скоростью.

Идеи Фарадея были обобщены и выражены в математической форме английским физиком Максвеллом.

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге в шотландской семье, имевшей богатую родословную. Каждое поколение ее давало выдающихся деятелей, игравших важную роль в общественной жизни Шотландии. Родители Джеймса были людьми высокой культуры, с разносторонними интересами.

Детство Максвелла прошло в Глснлере. С ранних лет он был необычайно любознателен и активен. Мать умерла, когда мальчику шел девятый год, его воспитывал отец. Начальное образование Максвелл получил в Гленлере. Десяти лет он поступил в Эдинбургскую академию. Уже здесь проявилась его необычайная одаренность, прежде всего в математике. Максвеллу не было еще и 15 лет, когда он написал статью "О механическом методе построения кривых некоторого типа". В академии Максвелл учился шесть лет, затем поступил на три года в Эдинбургский университет, где занимался теорией и экспериментом, используя предоставленные ему профессором Форбсом лекционные аппараты. Здесь он опубликовал две работы, говорящие об увлечении проблемами геометрии и механики.

В I860 г. Максвелла принимают в Кембриджский университет. Здесь он учится у Гопкинса, выдающегося педагога, воспитавшего Стокса и Вильяма. Томсона. Блестящие способности шотландского студента открывают ему двери знаменитого Тринити-колледжа, в котором учился Ньютон. Здесь Максвелл остается на два года после окончания университета. Именно в этот период он углубляется в "Экспериментальные исследования" Фарадея. В конце 1865 г. он публикует основополагающую работу "О фарадеевых линиях сил". Однако работа над математическим оформлением идей Фарадея прерывается. Умирает отец, и молодому ученому приходится позаботиться о карьере, обеспечивающей материальную независимость.

25-летний Максвелл - профессор натуральной философии в Абердине. Он подтверждает это высокое звание публикацией "Геометрической оптики" и "Колец Сатурна". Последняя работа получила громкую известность и была удостоена премии Адамса.

С 1860 по 1865 г. Максвелл руководит кафедрой физики в Лондонском Королевском колледже. Это были самые плодотворные годы: работы по теории познания, теоретической оптике, теории цветов, кинетической теории газов и, самое главное, серия работ по теории электромагнитного поля.

В 1865 г. Максвелл оставляет колледж и удаляется в свое имение для завершения работы над двухтомным "Трактатом по электричеству и магнетизму". Через шесть лет он принимает предложение Кембриджского университета занять место профессора экспериментальной физики и возглавить строительство и организацию лаборатории имени Кавендиша. Он планирует здание, оснащает лабораторию аппаратурой, организует исследования. Плодотворная деятельность Максвелла в качестве руководителя Кавендишской лаборатории продолжалась до 5 ноября 1879 г., когда тяжелая болезнь прервала жизнь гениального ученого.

Перед тем как приступить к построению теории электромагнитного поля, Максвелл тщательно изучил экспериментальные исследования Фарадея. Он нашел, что Фарадей в своих поисках опирался на систему воззрений, которая могла быть выражена в математической форме. Фарадеевское представление об электромагнитном поле было непосредственным, чувственно представимым выражением данных опыта. Максвелл нашел математические представления, адэкватные моделям Фарадея. Они позволили глубже заглянуть в сущность электромагнитных явлений и предсказать основные свойства электромагнитного поля.

Согласно Максвеллу, электромагнитное поле - это силовое поле вокруг заряженных тел, токов и магнитов. Его существование обнаруживается по действию электрических сил на заряды и магнитных сил на токи. Электромагнитное поле имеет две векторные компоненты - электрическую и магнитную. При изменении электрической компоненты возникает магнитная и, наоборот, изменение магнитной компоненты порождает электрическую. Из математической теории следовало, что электромагнитное поле должно распространяться в виде волн со скоростью света от тех мест, где происходят изменения электрической или магнитной компонент.

В 1865 г. Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, открытых впоследствии Герцем. Из теории Максвелла следовало, что свет имеет электромагнитную природу - это электромагнитные волны с длиной около 10^-7 м. Максвелл показал, что электромагнитная волна переносит определенную энергию, при падении на препятствие она должна оказывать давление. Теория позволяла, в частности, вычислить давление света на поглощающую или отражающую поверхность.

Давление электромагнитных волн означает, что электромагнитное поле переносит вместе с энергией определенный импульс. Электромагнитная волна может оказывать и вращающее действие на препятствие. Все это доказательства материальности электромагнитного поля.

Теория относительности расширила рамки теории электромагнитного поля Максвелла. Она дала возможность решать задачи на определение величин, характеризующих электромагнитное поле в движущихся системах. Она принесла еще одно подтверждение материальности электромагнитного поля. Согласно теории относительности, электромагнитному полю мы можем приписать массу, пропорциональную переносимой ею энергии.

Развитие квантовой теории электромагнитного излучения показало, что массу электромагнитного поля можно представить в виде суммы масс элементарных частиц материи - фотонов.

Методические замечания. 1. Введение понятия электромагнитного поля вызывает особые методические трудности. Ряд представлений, относящихся к электромагнитному полю, не имеет однозначной трактовки. Чтобы не сбиться на спор о вкусах, необходимо внимательно рассмотреть точку ярения первооткрывателей.

2. Обстоятельный исторический экскурс в этой части необходим и по соображениям методологического характера. Введение в физику полевых представлений явилось актом революционного значения. Речь идет о переходе от механического мировоззрения, представлявшего материю в виде совокупности частиц, между которыми мгновенно действуют центральные силы, к мировоззрению диалектико-материалистическому, рассматривающему поле как реальный объект, существующий и взаимодействующий с частицами. Рассказать, как произошел этот переход, так же важно, как осветить переход от системы Птолемея к системе Коперника.

3. Понятие электромагнитного поля многогранно, и на школьном уровне следует ограничиться рассмотрением тех сторон понятия, которые могут быть эффективно усвоены учащимися.

Первым является, естественно, образное представление поля системой силовых линий и линий магнитной индукции. Следует только предостерегать учащихся от отождествления механических образов Фарадея с реальностью, подчеркивать, что механические модели помогают представить чувственно процессы, скрытые от непосредственных восприятий, но это не значит, что эти процессы сводятся к механическим.

Свойства электромагнитного поля обнаруживаются при его взаимодействии с пробными телами. Наблюдаемые цепочки легких тел или железных опилок представляют собой конечный результат сложных процессов взаимодействия в электромагнитном поле, не сводящихся к механическим движениям. Самая важная грань понятия электромагнитного поля выражается в свойстве его компонент порождать друг друга, переходить друг в друга при изменении системы отсчета.