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".