Исследование работ Фарадея по электричеству

Содержание

Введение

Глава 1. Исследование электродинамики Фарадея

1.1 Исследование развития электродинамики до Фарадея

1.2 Труды М.Фарадея по постоянному току

1.3 Исследование положений М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей

1.4 Исследование положений Фарадея о превращении магнетизма в электричество и электричества в магнетизм

Глава 2. Исследование электродинамики Фарадея-Максвелла

2.1 Роль Фарадея в развитие электродинамики и электромагнетизма

2.2 Модельное представление об электромагнитных процессах

2.3 Достоинства и недостатки идей Фарадея

2.4 Использование идей Фарадея Максвеллом

2.5 Современный взгляд на электродинамику Фарадея-Максвелла

Заключение

Литература

Введение

Если действительно, для того, чтобы гений реализовал свой творческий потенциал, он должен родиться в нужное время и в нужном месте, то судьба Майкла Фарадея полностью это подтверждает. В год его рождения был опубликован трактат Гальвани, когда Фарадею исполнилось 8 лет, был создан Лондонский Королевский институт по распространению научных знаний. Годом позже в Лондонское Королевское общество - высший научный центр Великобритании - пришло сообщение об изобретении Вольта, когда Фарадею было 11 лет, его учитель Гемфри Деви доказал факт разложения воды с помощью вольтова столба и стал, таким образом, одним из основателей новой науки - электрохимии.

Будущий великий английский физик (Faraday, Michael) (1791–1867), родился 22 сентября 1791 в предместье Лондона в семье кузнеца. С 12 лет работал разносчиком газет, затем учеником в переплетной мастерской. Занимался самообразованием, читал книги по химии и электричеству. В 1813 один из заказчиков подарил Фарадею пригласительные билеты на лекции Г.Дэви в Королевском институте, сыгравшие решающую роль в судьбе Фарадея. Благодаря Дэви он получил место ассистента в Королевской ассоциации.

В начале Фарадей посвятил себя химии, но затем увлёкся опытами с магнитными и электрическими явлениями. Он приступил к этим опытам не сразу, хотя постоянно носил с собой маятник, чтобы не забывать о том, что пора давно заняться магнетизмом.

В 1813–1815, путешествуя вместе с Дэви по Европе, Фарадей посетил лаборатории ряда стран. Помогал Дэви в химических экспериментах, начал самостоятельные исследования по химии. Осуществил ожижение газов, получил бензол. В 1821 впервые наблюдал вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создал первую модель электродвигателя. В течение последующих 10 лет занимался исследованием связи между электрическими и магнитными явлениями, в 1831 открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе работы всех электрогенераторов постоянного и переменного тока.

В 1824 Фарадей был избран членом Королевского общества, в 1825 стал директором лаборатории в Королевской ассоциации. С 1833 состоял Фуллеровским профессором химии Королевского института, оставил этот пост в 1862. Широкую известность получили публичные лекции Фарадея. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда "видов" электричества: "животного", "магнитного", термоэлектричества, гальванического электричества и т.д. Стремление выявить природу электрического тока привело его к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, солей и щелочей. Результатом исследований стало открытие в 1833 законов электролиза (законы Фарадея). В 1845 Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). В том же году открыл диамагнетизм, в 1847 – парамагнетизм. Ввел ряд понятий – подвижности (1827), катода, анода, ионов, электролиза, электродов (1834); изобрел вольтметр (1833). В 1830-х годах предложил понятие поля, в 1845 впервые употребил термин "магнитное поле", а в 1852 сформулировал концепцию поля.

Основные работы по электричеству и магнетизму Фарадей представлял Королевскому обществу в виде серий докладов под названием Экспериментальные исследования пЮ электричеству (Experimental Researches in Electricity). Кроме Исследований, Фарадей опубликовал работу Химические манипуляции (Chemical Manipulation, 1827). Широко известна его книга История свечи (A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle, 1861).

Тема дипломной работы "Работы М.Фарадея по электричеству" актуальна, так как его открытия внесли огромный вклад в развитие не только фундаментальной, но и прикладной физики.

Талантливый экспериментатор, наделённый научной интуицией, Фарадей поставил ряд опытов, в которых были открыты фундаментальные физические законы и явления.

 Фарадей высказал новые, оправдавшиеся в дальнейшем идеи о природе тока и магнетизма, о механизме проводимости в различных средах и др. Он доказал тождество различных видов электричества: полученного от трения, "животного", "магнитного" и др. Стремясь установить количественные соотношения между различными видами электричества, Фарадей начал исследования по электролизу, открыл его законы (1833–34) и ввёл сохранившуюся доныне терминологию в этой области. Законы электролиза явились веским доводом в пользу дискретности вещества и электричества. В 1840, ещё до открытия закона сохранения энергии, Фарадей высказал мысль о единстве "сил" природы (различных видов энергии) и их взаимном превращении. Он ввёл представления о силовых линиях, которые считал физически существующими.

Идеи Фарадея об электрическом и магнитном полях оказали большое влияние на развитие всей физики. В 1832 Фарадей высказал мысль о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть волновой процесс, происходящий с конечной скоростью.

 В 1845 году, исследуя магнитные свойства различных материалов, Фарадей открыл явления парамагнетизма и диамагнетизма. В 1845 он установил вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (Фарадея эффект), это было первое наблюдение связи между магнитными и оптическими явлениями, которая позднее явилась подтверждением электромагнитной теории света Дж. Максвелла. Фарадей изучал также электрические разряды в газах, пытаясь выяснить природу электричества.

 Открытия Фарадея завоевали признание во всём научном мире. Впервые идеи Фарадея "перевёл" на общепринятый математический язык Максвелл. В предисловии к своему "Трактату по электричеству и магнетизму" (1873) он писал: "По мере того, как я подвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает нам облеченным в одежду общепринятых математических формул". Именем Фарадея впоследствии были названы законы, явления, единицы физических величин и т.д. (фарада, фарадей, Фарадея число, цилиндр Фарадея и др.).

 Ф. Энгельс оценивал Фарадея как величайшего исследователя в области электричества. Значение Фарадея в развитии науки отмечал А. Г. Столетов: "Никогда со времен Галилея свет не видал стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы"

Объект исследования: научная деятельность М.Фарадея в области электродинамики и магнетизма.

Цель исследования: применение научных открытий и законов М.Фарадея на уроках в средней школе

Задачи исследования:

1)    проанализировать основные идеи и работы по электродинамике и магнетизму, способствующие открытиям М.Фарадея;

2)    изучить работы М.Фарадея по постоянному току;

3)    раскрыть идеи М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей;

4)    рассмотреть эксперименты Фарадея по превращению электричества в магнетизм и магнетизма в электричество;

5)    дать характеристику модельному представлению об электромагнитных процессах;

6)    проанализировать основные идеи М.Фарадея, получившие продолжение в работах Д.Максвелла.

7)    изучить развитие электродинамики Максвелла-Фарадея в современный период.

Глава 1. Исследование электродинамики Фарадея

1.1 Исследование развития электродинамики до Фарадея

Начало электродинамики как науки чаще всего соотносится с фундаментальными исследованиями У. Гильберта (1544-1603), который в 1600 г. издал трактат "О магните, магнитных телах и о большом магните Земли", содержавшем описание более 600 опытов, осуществленных при его непосредственном участии. Объем работ был столь велик, а эксперименты были выполнены столь безукоризненно, что потребовалось еще почти сто лет после Гильберта, чтобы получить существенно новые результаты.

Прорыв в области развития физики в других областях в 1820 г. сменяется не менее впечатляющим каскадом открытий в области электричества и магнетизма:

·                    Х. Эрстед открывает магнитное действие тока;

·                    А. Ампер - взаимодействие электрических токов;

·                    Ж. Био и Ф. Савар - закон, определяющий напряженность магнитного поля;

·                    Т. Зеебек - термоэлектричество.

Как уже говорилось, научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин "электричество", произведенный от греческого названия янтаря. Гильберт кропотливо исследовал множество самых различных тел и построил для этой цели специальный электрический указатель, который он описывает таким образом: "Сделай себе из любого металла стрелку длиной в три или четыре дюйма, достаточно подвижную на своей игле, наподобие магнитного указателя". С помощью этого указателя, прототипа современных электроскопов, Гильберт установил, что способностью притягивать обладают многие тела, "не только созданные природой, но и искусственно приготовленные". Однако он нашел также, что многие тела "не притягивают и не возбуждаются никакими натираниями". К числу их относится ряд, драгоценных камней и металлы: "серебро, золото, медь, железо, также любой магнит". Тела, обнаруживающие способность притяжения, Гильберт назвал электрическими, тела, не обладающие такой способностью,- неэлектрическими. Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.

Гильберт указывает, как производится электризация тел трением: "Их натирают телами, которые не портят их поверхности и наводят блеск, например жестким шелком, грубым немарким сукном и сухой ладонью. Трут также янтарь о янтарь, об алмаз, о стекло и многое другое. Так обрабатываются электрические тела".

В сочинении Гильберта много интересных наблюдений и догадок, смешанных с фантастическими объяснениями в духе средневековых алхимиков. Но главное значение его труда в том, что он положил твердое основание изучению электрических и магнитных явлений и на этом основании началось интенсивное развитие этого важного раздела науки и техники.

Электрическими опытами занимался и Ньютон, который наблюдал электрическую пляску кусочков бумаги, помещенных под стеклом, положенным на металлическое кольцо. При натирании стекла бумажки притягивались к нему, затем отскакивали, вновь притягивались, и т. д. Эти опыты Ньютон производил еще в 1675 г.

Эксперименты по электричеству проводили и другие члены Лондонского Королевского общества. Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил, что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.

В 1700 г. доктор Уолл извлек из натертого большого куска янтаря электрическую искру, проскочившую с треском в палец руки экспериментатора. Электрическую искру получил в 1705 г Хауксби, заменивший серный шар Герике стеклянным. Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. "Искра напомнила мне о молнии в малых, очень малых размерах", — писал Ньютон. Наконец, Стефэн Грей (1670-1736), также член Лондонского Королевского общества, в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала по две сив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его на смоляной диск.

Опыты Грея, опубликованные в 1731 и 1732 гг., обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ (1698—1739), создавшего первую теорию электрических явлений. Повторяя опыты Грея по электризации изолированного человеческого тела, он сам ложился на шелковые шнурки, и его электризовали настолько сильно, что из тела при приближении руки другого человека выскакивали искры.

Дюфэ установил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Сначала он установил, что "наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные и сейчас же их отталкивают, как только они наэлектризуются вследствие соседства или соприкосновения с наэлектризованными телами". В дальнейшем он открыл "другой принцип, более общий и более замечательный, чем предыдущие". "Этот принцип, - продолжает Дюфэ, - со стоит в том, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого: один род я называю "стеклянным" электричеством, другой - "смоляным"... ОсобХнность этих двух родов электричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное. Так, например, тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством. Точно так же смоляное отталкивает смоляное и притягивает стеклянное".

Рис. 1. Первый опыт с лейденской банкой

Этот закон был опубликован Дюфэ в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733 г.

Новые открытия в области электричества и усовершенствование электрических машин, получивших кондуктор, подушки для натирания и, наконец, сенсационное изобретение лейденской банки в 1745-1746 гг., возбудили в обществе большой интерес к электричеству. Электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах. За Европой последовали Америка и Россия. Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.

Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в г. Пярну (тогда Пернове) в Эстонии. Рихман учился в германских университетах в Галле и Иене, а с 1735 г. в университете Петербургской Академии наук. В 1740 г. он становится адъюнктом, а в следующем, 1741 г. — профессором академии.

В январе 1745 г. Рихман начал собственные опыты по электричеству. В процессе этой работы, как пишет он сам, "я встретился со многими новыми явлениями...", далее "...открыл новый удобный способ исследовать тела, обладающие первичным, и тела, обладающие производным электричеством". Здесь под первичным электричеством Рихман понимает электричество, возбуждаемое в изоляторах трением, под производным — электричество в проводниках, получаемое от контакта с заряженными телами.

Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он "пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество". Вот как он описывает первую свою попытку "измерить электричество": "Маленькие весы я подвесил на железной подставке так, что одна чашка их нависла над этой подставкой, а другая висела около нее на расстоянии 3 дюймов. На эту чашку я положил 30 гранов; поскольку равновесие было нарушено, коромысло с указанной стороны наклонилось и дно другой чашки весов удалилось на 1 дюйм от железной подставки. Когда проволока СDВ и весь аппарат были наэлектризованы, железная чашка тянула книзу и ударялась о подставку, слышался треск и одновременно был виден свет между подставкой В и чашкой весов. Итак, на указанном расстоянии сила был а такая, что 30 гранов могли быть подняты на высоту 1 лондонского дюйма. Тем же способом я надеялся измерить и электрическую силу".

Итак, Рихман попытался "взвесить" электрическую силу. Это была правильная идея, которая в своем развитии привела к изобретению абсолютного электрометра. Рихман описывал ряд опытов с различными весами и массами. Но потом он переходит к другому методу — методу электрического указателя — родоначальнику, современных электрометров.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10