Вклад Максвелла в электротехнику

Министерство образования РФ

Уральский государственный технический университет

Нижнетагильский институт

Кафедра "Автоматизация технологических процессов и систем"

Реферат

по дисциплине "История электротехники"

на тему: "Вклад Максвелла

в электротехнику"

Выполнила:

студентка гр. 144 Л.В.

Глушкова

Проверил: В.Л. Тимофеев

Н-Тагил

1999

Содержание

Содержание 2

Введение 3

Динамическая теория электромагнитного поля 6

Общие уравнения электромагнитного поля 12

Электромагнитные волны 14

Электромагнитная теория света 15

Библиографический список 18

Введение

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831г. в Эдинбурге, в семье

юриста - обладателя поместья в Шотландии. В мальчике рано проявились любовь

к технике и стремление постичь окружающий мир. Большое влияние на него

оказал отец - высокообразованный человек, глубоко интересовавшийся

проблемами естествознания и техники. В школе Максвелла увлекала геометрия,

и первой его научной работой, выполненной в пятнадцать лет, было открытие

простого, но не известного способа вычерчивания овальных фигур. Максвелл

получил хорошее образование сначала в Эдинбургском, а затем в Кембриджском

университетах.

В 1856 г. молодого, подающего надежды ученого приглашают на

преподавательскую работу в качестве профессора колледжа шотландского города

Абердина. Здесь Максвелл увлеченно работает над проблемами теоретической и

прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще

решает загадку колец Сатурна, математически доказав, что они образованы из

отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять

кафедру в Королевском колледже в Лондоне. Лондонский период (1860-1865) был

самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до завершения

теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные

работы по кинетической теории газов.

В 1871 г. Кембридский университет предлагает своему бывшему студенту

возглавить вновь образованную кафедру экспериментальной физики с условием

создания при ней научно-исследовательской лаборатории. До конца жизни

(Максвелл скончался 5 ноября 1879 г.) всю свою энергию ученый отдает

строительству и организации физической лаборатории, названной в честь Г.

Кавендиша и ставшей впоследствии одной из самых знаменитых физических

лабораторий мира.

Еще в студенческие годы Максвелл знакомится с «Экспериментальными

исследованиями по электричеству» Фарадея, и этот труд захватывает его.

Позднее он вспоминал: «Прежде чем начать изучение электричества, я принял

решение не читать никаких математических работ по этому предмету до

тщательного прочтения фарадеевских «Экспериментальных исследований по

электричеству». Я был осведомлен, что высказывалось мнение о различии между

фарадеевским методом понимания явлений и методами математиков, так что ни

Фарадей, ни математики не было удовлетворены языком друг друга». Таким

образом, Максвелл решил с самого начала не поддаваться гипнозу

метематически совершенных работ А.-М. Ампера, Ф. Неймана и других

представителей концепции дальнодействия электромагнитных сил. Он первым

осознал глубину рассуждений Фарадея и интуитивно почувствовал в его идее о

силовых линиях решение Проблем электродинамики. Почти всю свою творческую

жизнь Максвелл планомерно, шаг за шагом, развивал идею о поле. На первом

этапе исследований он убеждается в том, что теория дальнодействия не

способна последовательно и непротиворечиво объяснить электромагнитные

явления. Следуя Фарадею, Максвелл разрабатывает гидродинамическую модель

силовых линий. Широко пользуясь механическими аналогиями, он выражает

известные соотношения электродинамики на математическом языке,

соответствующем механическим моделям Фарадея. Этот математический аппарат

он заимствует из работ ирландского математика У. Р. Гамильтона. Основные

результаты этого этапа исследований отражены в первой большой работе

Максвелла «О фарадеевских линиях сил», которая была написана в 1855 г., а

опубликована позднее.

В дальнейшем на смену гидродинамическим приходят модели-аналоги теории

упругости. Работая с такими понятиями, как натяжение, деформация, давление,

вихри, Максвелл непостижимым для нас образом приходит к уравнениям поля,

еще не приведенным на данном этапе в единую систему. Рассматривая

электрические явления в диэлектриках, он выдвигает гипотезу о токах

смещения. В общем виде высказывается мысль о связи света с

электротоническим состоянием (первоначально Максвелл пользуется этим

термином Фарадея для обозначения поля). Этот этап работы отражен в труде «О

физических линиях сил», который печатался по частям в течение 1861—1862 гг.

Заключительный этап электродинамических исследований Максвелла

характеризуется синтезом электромагнетизма и оптики. Ученый приходит к

ясному определению электромагнитного поля как вида материи, выражая все его

проявления с помощью систем из двадцати уравнений. (Впоследствии О.

Хевисайд и Г. Герц приведут систему уравнений Максвелла к более простому

виду, принятому в наши дни.) На основании своей теории Максвелл решает и

конкретные задачи: определяет показатель преломления тел (n =[pic]),

рассчитывает коэффициенты самоиндукции катушки и взаимной индукции двух

круговых токов. Самому Максвеллу казалось, что он создал механику эфира —

всепроникающей среды, которую можно принять за абсолютно неподвижную

систему отсчета. Он, таким образом, стимулировал попытки ученых уловить

«неподвижный эфир», предложив свою собственную идею опыта по его

обнаружению. Опыт был осуществлен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли и,

как известно, дал отрицательный результат. Выход был найден А. Эйнштейном в

специальной теории относительности, которая оказалась в полном соответствии

с электродинамикой Максвелла. Ученый, исходя из уравнений поля, предсказал

существование поперечных электромагнитных волн, распространяющихся по

скоростью света. Этот завершающий этап был отражен в работе «Динамическая

теория электромагнитного поля», изданной в 1864 г. Итог работы Максвелла по

электродинамике подвел его знаменитый «Трактат об электричестве и

магнетизме» (1873).

При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания: она

считалась непонятной, математически нестрогой логически необоснованной.

Лишь после работ Г. Герца, доказавшего существование электромагнитных волн,

и опытов П. Н. Лебедева, в которых было измерено давление света,

предсказанное Максвеллом, его теория завоевала признание среди ученых.

Динамическая теория электромагнитного поля

Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в

себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии.

Это пространство может быть наполнено любым родом материи, или мы

можем попытаться удалить из нее всю плотную материю, как в трубках

Гейсслера или в других, так называемых вакуумных трубках. Однако всегда

имеется достаточное количество материи для того, чтобы воспринимать и

передавать волновые движения света и тепла. И так как передача излучений не

слишком сильно изменяется, если так называемый вакуум заменить прозрачными

телами с заметной плотностью, то допускается, что эти волновые движения

относятся к эфирной субстанции, а не к плотной материи, присутствие которой

только в какой-то мере изменяет движение эфира.

Поэтому имеется некоторое основание предполагать, исходя из явлений

света и тепла, что имеется какая-то эфирная среда, заполняющая пространство

и пронизывающая все тела, которая обладает способностью приводиться в

движение, передавать это движение от одной своей части к другой и сообщать

это движение плотной материи, нагревая ее и воздействуя на нее

разнообразными способами.

Энергия, сообщенная телу нагреванием, должна была ранее существовать в

движущейся среде, ибо волновые движения оставили источник тепла за

некоторое время до того, как они достигли самого нагреваемого тела, и в

течение этого времени энергия должна была существовать наполовину в форме

движения среды и наполовину в форме упругого напряжения. Исходя из этих

соображений, профессор В. Томсон доказал, что эта среда должна обладать

плотностью, сравнимой с плотностью обычной материи, и даже определил нижнюю

границу этой плотности.

Поэтому мы можем как данное, выведенное из отрасли науки, независимой

от той, с которой мы (в рассматриваемом случае) имеем дело, принять

существование проникающей среды, обладающей малой, но реальной плотностью и

способностью приводиться в движение и передавать движения от одной части к

другой с большой, но не бесконечной скоростью.

Следовательно, части этой среды должны быть так связаны, что движение

одной части каким-то способом зависит от движения остальных частей, и в то

же время эти связи должны быть способны к определенному роду упругого

смещения, поскольку сообщение движения не является мгновенным, а требует

времени.

Поэтому эта среда обладает способностью получать и сохранять два вида

энергии, а именно: «актуальную» энергию, зависящую от движения ее частей, и

«потенциальную» энергию, представляющую собой работу, которую среда

выполнит вследствие своей упругости, возвращаясь к первоначальному

состоянию, после того смещения, которое она испытала.

Распространение колебаний состоит в непрерывном преобразовании одной

из этих форм энергии в другую попеременно, и в любой момент энергия во всей

среде разделена поровну, так что половина энергии является энергией

движения, а другая половина — энергией упругого напряжения.

Среда, имеющая такого рода структуру, может быть способна к другим

видам движения и смещения, чем те, которые обусловливают явления света и

тепла; некоторые из них могут быть таковы, что они воспринимаются нашими

чувствами при посредстве тех явлений, которые они производят.

Сейчас мы знаем, что светоносная среда в отдельных случаях испытывает

действие магнетизма, так как Фарадей открыл, что когда плоскополяризованный

луч проходит через прозрачную диамагнитную среду в направлении магнитных

силовых линий, образуемых магнитами или токами, то плоскость поляризации

начинает вращаться.

Это вращение всегда происходит в том направлении, в котором

положительное электричество должно проходить вокруг диамагнитного тела для

того, чтобы образовать действующее магнитное поле.

Верде с тех пор открыл, что если заменить диамагнитное тело

парамагнитным, например раствором треххлористого железа в эфире, то

вращение происходит в обратном направлении.

Профессор В. Томсон указал, что никакое распределение сил, действующих

между частями какой-либо среды, единственным движением которой является

движение световых колебаний, недостаточно для объяснения этих явлений, но

что должно допускаться существование в среде движения, зависящего от

намагничивания, в дополнение к тому колебательному движению, которое

представляет собой свет.

Совершенно правильно, что вращение плоскости поляризации вследствие

магнитного воздействия наблюдалось только в средах, обладающих заметной

плотностью. Но свойства магнитного поля не так уж сильно изменяются при

замене одной среды другой или вакуумом, чтобы допустить, что плотная среда

делает нечто большее, чем простое изменение движения эфира. Поэтому имеем

ставтся вопрос: не происходит ли движение эфирной среды везде, где бы ни

наблюдались магнитные эффекты? Предполагается, что это движение является

движением вращения, имеющим своей осью направление магнитной силы.

Рассмотрим другое явление, наблюдаемое в электромагнитном поле. Когда

тело движется, пересекая линии магнитной силы, оно испытывает то, что

называют электродвижущей силой; два противоположных конца тела

электризуются противоположно, и электрический ток стремится пройти через

тело. Когда электродвижущая сила достаточно велика и действует на некоторые

химически сложные тела, она их разлагает и заставляет одну из компонент

направляться к одному концу тела, а другую — в противоположную сторону.

В данном случае имеется очевидное проявление силы, вызывающей

электрический ток вопреки сопротивлению и электризующей концы тела

противоположным образом. Это особое состояние тела поддерживается только

воздействием электродвижущей силы, и, как только эта сила устраняется, оно

стремится с равной и противоположно направленной силой вызывать обратный

ток через тело и восстановить его первоначальное электрическое состояние.

Наконец, если эта сила достаточно велика, она разлагает химические

соединения и перемещает компоненты в двух противоположных направлениях, в

то время как их естественной тенденцией является тенденция к взаимному

соединению с такой силой, которая может породить электродвижущую силу

обратного направления.

Эта сила, следовательно, является силой, воздействующей на тело

вследствие его движения через электромагнитное поле или вследствие

изменений, возникающих в самом этом поле. Действие этой силы проявляется

или в порождении тока и нагревании тела, или в разложении тела, или если

она не может сделать ни того, ни другого, то в приведении тела в состояние

электрической поляризации — состояние вынужденное, при котором концы тела

наэлектризованы противоположно и от которого тело стремится освободиться,

как только будет удалена возмущающая сила.

Согласно предлагаемой теории, эта электродвижущая сила является силой,

возникающей при передаче движения от одной части среды к другой, так что

именно благодаря этой силе движение одной части вызывает движение другой.

Когда электродвижущая сила действует вдоль проводящего контура, она

производит ток, который в том случае, если он встречает сопротивление,

вызывает постоянное превращение электрической энергии в тепло; последнее

уже нельзя восстановить в форме электрической энергии каким-либо обращением

процесса.

Но когда электродвижущая сила действует на диэлектрик, она создает

состояние поляризации его частей, которое аналогично поляризации частей

массы железа под влиянием магнита и которое, подобно магнитной поляризации,

Страницы: 1, 2