光的电磁理论。科学发现的历史和本质

光的电磁理论。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

“在我的时代牛顿确信光由最小的粒子组成，其运动速度几乎是无限的， - T. Regge 在该问题的背景下说。 - 他的当代惠更斯相反，它是光传播波动机制的支持者，类似于声音在空气或任何物质介质中的传播过程。牛顿无可争辩的权威不允许承认惠更斯的假设。

1700年，荣格、菲涅耳和其他一些科学家开始研究从牛顿的观点来看是无法理解的光学现象。这些现象直接表明了光的波动性。矛盾的是，在这些现象中，有牛顿环，这是摄影师所熟知的，当透明胶片放在玻璃板之间时就会出现。一些昆虫的鲜艳颜色也是由于位于昆虫身体表面的液晶薄层中发生的光波干涉的复杂过程而产生的。

然而，尽管光的波动力学理论在 XNUMX 世纪下半叶取得了明显的成功，但由于两个原因而受到质疑。一是经历法拉第谁发现了磁场对光的影响。另一个是关于电和磁现象之间联系的研究，由麦克斯韦. P.S. Kudryavtsev 写道：“光的电磁特性的发现是内容和形式发展的辩证法的精彩例证。”新的内容——电磁波——以笛卡尔涡旋的旧形式表达。

由于电磁学的发展而出现的新内容之间的差异，不仅是远距离作用理论的旧形式，还有以太的力学理论，法拉第已经感觉到了，他正在寻找一个表达这一内容的新形式。他在力线中看到了这样的形式，应该不是静态的，而是动态的。这一思想的发展致力于他的著作“关于射线振动的思想”（1846 年）和“关于磁力的物理线”（1851 年）。

法拉第在 1845 年发现了磁与光的联系，这是光理论中的一个新内容，同时再次指出了光振动的严格横向性质。这一切都不能很好地适应旧形式的机械以太。”法拉第提出了发生横向振荡的力线的想法。）被视为辐射的基础，与之相关的现象发生在将粒子连接起来的力线，从而将物质质量连接成一个整体。这个想法，如果被承认，将使我们从以太中解放出来，从另一个角度来看，以太是发生这些振荡的媒介。

这位科学家指出，力线中发生的振荡不是机械过程，而是一种新的运动形式，“某种更高类型的振荡”。这种波动是横向的，因此可以“解释奇妙多样的极化现象”。它们不像液体和气体中的纵向声波。他说，他的理论“试图消除以太，但不消除振动。” 这些磁振荡以有限的速度传播：

“......在力的一端出现变化表明另一端随后发生变化。光的传播，因此，可能是所有辐射作用的传播，需要时间，并且为了线的振荡用力来解释辐射现象，这种振荡也需要时间”。

寻找新形式使科学家形成了横向磁振荡的重要思想，它像光一样以有限的速度传播。但这是光的电磁理论的中心思想——这个思想早在 1832 年就出现了。

麦克斯韦在给 W. Bragg 的说明中指出：“他（法拉第）在“关于径向振动的思考”（1846 年 1865 月）或“实验研究”中提出的光的电磁理论与我在本文中开始发展的基本相同文章（“动态场理论”（1846 年 XNUMX 月），但在 XNUMX 年没有用于计算传播速度的数据。”

然而，这种认识并没有贬低詹姆斯麦克斯韦在电磁场研究中的价值。

詹姆斯麦克斯韦 (1831–1879) 出生于爱丁堡。男孩出生后不久，他的父母就把他带到了他们的庄园 Glenlar。起初，老师被邀请到家里。然后决定将詹姆斯送到一所新学校，该学校以爱丁堡学院的响亮名字命名。麦克斯韦是最早从学院毕业的人之一，爱丁堡大学的大门在他面前打开了。

在学生时代，麦克斯韦对弹性理论进行了认真的研究，得到了专家的高度评价。而现在，他面临着他在剑桥继续深造的前景的问题。麦克斯韦的知识量，他的智慧和独立思想的力量使他在释放中取得了很高的地位。他获得了第二名。

这位年轻的单身汉被留在剑桥-三一学院任教。但是，他担心科学问题。除了他早在 1852 年就开始研究的旧爱好——几何学和颜色问题之外，麦克斯韦还对电产生了兴趣。

20 年 1854 月 1864 日，麦克斯韦告诉汤姆森他打算“攻击电”。 “攻击”的结果是论文“论法拉第力线”——麦克斯韦专门研究电磁场的三部主要著作中的第一部。 “场”一词首次出现在写给汤姆森的同一封信中，但麦克斯韦并没有在这封信或随后关于力线的著作中使用它。这个概念直到 XNUMX 年才在著作《电磁场的动力学理论》中再次出现。

他发表了关于他所创建的电磁场理论的两部主要著作：《论物理力线》（1861-1862）和《电磁场动态理论》（1864-1865）。十年来，麦克斯韦已经成长为一位杰出的科学家，是电磁现象基本理论的创造者，它与力学、热力学和统计物理学一起成为经典理论物理学的基础之一。

《电与磁论》——麦克斯韦的主要著作，也是他科学工作的顶峰。在其中，他总结了早在 1854 年初就开始的电磁学工作多年的成果。 “论文”的序言日期为 1 年 1873 月 XNUMX 日。麦克斯韦在他的基础工作上工作了 XNUMX 年！

麦克斯韦的研究使他得出结论：自然界中必然存在电磁波，电磁波在无空气空间中的传播速度等于光速——每秒300万公里。

产生后，电磁场以光速在空间中传播，占据的体积越来越大。麦克斯韦认为，光波与围绕有交流电流的电线产生的波具有相同的性质。它们仅在长度上有所不同。很短的波长是可见光。

A.A. Korobko-Stefanov 写道：“麦克斯韦的假设是电场的变化会导致磁感应通量的出现，这是向前迈出的一步。”因此，在磁场周围产生的交变电场反过来又会产生一个交变的磁场。包含电场的磁场，它再次激发电场等。

以光速传播的快速变化的电场和磁场形成电磁场。电磁场在空间中从一点传播到另一点，产生电磁波。每个点的电磁场都以电场和磁场的强度为特征。电场和磁场的强度是矢量，因为它们的特征不仅在于大小，还在于方向。场强矢量相互垂直并垂直于传播方向。

因此，电磁波是横向的。

根据麦克斯韦的理论，如果电场和磁场强度的变化非常迅速，就会产生电磁波。

麦克斯韦思想的有效性由经验证明海因里希·赫兹. 十九世纪八十年代，赫兹开始研究电磁现象，在一个长 14 米、宽 12 米的礼堂工作。他发现，如果接收器到振动器的距离小于一米，那么电力分布的性质类似于偶极子场，并且随着距离的立方成反比减小。但是，在超过 3 米的距离处，场的衰减要慢得多，并且在不同方向上也不相同。在振动器的轴方向上，作用比在垂直于轴的方向上下降得快得多，在 4 米的距离上几乎看不到，而在垂直方向上，它达到大于 12 米的距离。

这一结果与长程理论的所有规律相矛盾。赫兹继续研究他的振动器的波区，后来他从理论上计算了该领域。在随后的许多著作中，赫兹无可辩驳地证明了以有限速度传播的电磁波的存在。 “我对快速电振荡的实验结果，”赫兹在 1888 年的第八篇文章中写道，“向我展示了麦克斯韦理论优于所有其他电动力学理论。”

赫兹用力线图描绘了这个波区不同时刻的场。赫兹的这些图纸被包含在所有电学教科书中。赫兹的计算形成了天线辐射理论和经典原子分子辐射理论的基础。

因此，在他的研究过程中，赫兹最终无条件地转向麦克斯韦的观点，给他的方程一个方便的形式，用电磁辐射理论补充麦克斯韦的理论。赫兹通过实验获得了麦克斯韦理论所预测的电磁波，并表明了它们与光波的同一性。

1889 年，赫兹在第 62 届德国博物学家和医师大会上宣读了一份报告《关于光与电的关系》。

在这里，他用以下的话总结了他的实验：“所有这些实验在原理上都非常简单，但是，尽管如此，它们却带来了最重要的后果。它们摧毁了任何认为电力会立即跃迁的理论。它们意味着一个辉煌的麦克斯韦理论的胜利……她对光的本质的看法在早些时候似乎不太可能，现在很难不分享这种看法。

1890年，赫兹发表了两篇文章：《论静止物体的电动力学基本方程》和《论运动物体的电动力学基本方程》。这些文章包含对“电力射线”传播的研究，实质上是对麦克斯韦电场理论的规范阐述，后来被纳入教科书。

作者：萨明 D.K.

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