Лекция №5. Формирование электромагнитной картины мира

Эмпирическая база создания теории электромагнитных явлений

Закон Кулона
(Шарль Огюстен де Кулон 1736-1806 )
«Электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния».
1780 г.

Датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851)
Электрический ток
создает вокруг себя
магнитное поле.
1819 г.

Андре Мари Ампер
(1775 —1836)
Построил первую теорию магнетизма, основан-
ную на гипотезе молекулярных токов, согласно
которой магнитные свойства вещества обуслов-
лены электрическими токами, циркулирующими
в молекулах.
Отрицал существование магнитных зарядов.

Континуальные и корпускулярные теории электромагнетизма (середина 19 в.)
Полевая концепция строения материи Фарадея
Все пространство занимает поле, а атомы лишь его сгустки.
Силовые линии поля – потоки или распространяющиеся колебания.
Корпускулярная теория немецкого физика Вильгельма Вебера (1804-1891)
Электромагнитные явления – следствие движения корпускул электрических зарядов.

Единая теория электрических и магнитных явлений
Английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), ученик Фарадея.
Сформулировал фундаментальные уравнения электродинамики, связывающие напряженность электрического и магнитного полей с распределенными в пространстве электрическими зарядами и токами.
Гипотеза о существовании электромагнитного поля и электромагнитных волн.
Книга: «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.

Уравнения Максвелла
Связывают величины, характеризующие электромаг-
нитное поле, с распределением в пространстве элек-
трических зарядов и токов.
В пустоте электромагнитное поле характеризуется дву-
мя векторными величинами:
1) напряжённостью электрического поля Е и
2) магнитной индукцией В.
Эти величины определяют силы, действующие со сто-
роны поля на заряды и токи, распределение которых в
пространстве задаётся плотностью заряда ρ (зарядом в
единице объёма) и плотностью тока j (зарядом, перено-
симым в единицу времени через единичную площадку,
перпендикулярную направлению движения зарядов).

Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн
Немецкий физик Генрих Герц (1857-1894), 1888 г.

Гипотеза об общей природе электромагнитного излучения и света подтверждена
Скорости света и электромагнитных волн одинаковы, 300000 км/с

Основные положения электромагнитной картины мира
1. Электромагнитное поле – одна из форм существования материи;
2. Электромагнитное поле существует в виде электромагнитных волн;
3. Электромагнитные волны обладают энергией и импульсом.
4. Источник магнитного поля – электрический ток.
5. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает устойчивость атомов и молекул.

Последствия становления электромагнитной картины мира (конец 19 в)
Атомы перестали считать неделимыми частицами вещества. Началось развитие теории строения вещества;
На базе развития теории строения вещества разрабатывается теория строения органических соединений, органический синтез.
Развиваются химическая термодинамика и химическая кинетика.

Последствия становления электромагнитной картины мира (конец 19 в)
4. Применение методов физики и химии в биологии. Чарльз Дарвин «Происхождение видов путем естественного отбора).
5. Формирование представления о Вселенной как о бесконечной в пространстве и времени, стационарной системе.

Вторая половина 19 века – завершение построения классического естествознания и возникновение первых противоречий

1. В различных ситуациях свет проявляет или корпускулярные, или волновые свойства
а) Представления о волновой природе света были обоснованы в классической электродинамике Максвелла.
б)Излучение нагретых тел, фотоэффект, закономерности строения спектров атомов металлов требовали для объяснения представления света состоящим из отдельных частиц.

2. Открытие рентгеновских лучей (1895 г.) и радиоактивности (1996 г.)
а) Объяснение этих явлений с точки зрения классической науки отсутствовали;
б) При радиоактивном распаде было обнаружено «кажущееся» нарушение закона сохранения массы.
3. Факты, противоречащие представлению о стационарности Вселенной
Разбегание галактик.

Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления
Законы физики одинаковы с точки зрения любого наблюдателя, двигающегося относительно объекта наблюдения равномерно и прямолинейно.
Пусть электрический заряд покоится в сис-
теме координат x,y,z, он создает вокруг себя
электрическое поле. Но для наблюдателя в
системе x1, y1, z1заряд движется и создает
магнитное поле. Противоречие!

Специальная теория относительности (СТО)
Здравый смысл – это сумма предубеждений, приобретенных до восемнадцатилетнего возраста.
А. Эйнштейн
А. Эйнштейн, 1905 г. ( «К электродинамике движущихся тел» в немецком журнале «Анналы физики»).
Постулаты
1. Принцип относительности (Галилея) – любые физические процессы протекают одинаково в различных системах отсчета.
2. Принцип постоянства скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника.

Формулы преобразования Лоренца
Эйнштейн показал, что преобразования координат Лоренца отражают не реальное изменение геометрических размеров движущихся тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от выбора системы отсчета. По Эйнштейну в движущейся системе размеры тел сокращаются, и время замедляется по отношению к неподвижному внешнему наблюдателю, а внутри самой системы все процессы протекают обычным образом.

Следствия СТО
Объяснение релятивистских эффектов.
Зависимость длительности интервала времени между двумя событиями от выбора системы отсчета.
Покоящиеся пи-мезоны имеют среднее время жизни 2,6∙10-8 с, а двигающиеся со скоростью 0,75с живут 3,9∙10-8 с.

Принцип соответствия
Старая теория – частный случай новой.
Механика Ньютона – частный случай специальной теории относительности.

Специальная теория относительности (СТО), раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы завершился построением общей теории относительности (ОТО).

Темы коротких сообщений
1.История открытия лучей Рентгена.
2. Опыты Герца с электромагнитными волнами.
3. Кто изобрел радио? Российская, итальянская, американская версии.
4. История создания уравнений Максвелла.
5. История разработки систем мобильной связи.
6. Специальная теория относительности и парадокс близнецов.
7. Экспериментальные доказательства справедливости специальной и общей теорий относительности.
8. История создания квантовой механики.