Притягательная планета Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru
В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?
Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.
Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.
Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.
Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц.
К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).
Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.
Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.
Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.
Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки. Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения.
Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.
На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.
Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него.
Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.
Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.
Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.
Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.
Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.
Проявить магнитное поле: ученые НИТУ «МИСиС» создали уникальный прибор, позволяющий визуализировать магнитное поле
Научному коллективу НИТУ «МИСиС» удалось решить проблему определения магнитных полей в пространстве: при помощи разработанного магнитометра можно получать точную информацию о силе, конфигурации, величине и даже дефектах магнитного поля.
Прибор будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ) для городских поликлиник и частных медицинских кабинетов.
Точное определение магнитного поля и его параметров является важным условием развития современных технологий — автоматизация промышленной техники и системы определения координат, магнитные карты и сотовые телефоны — все они и многие другие основаны на определении магнитного поля Земли. Мощное магнитное поле удерживает конструкцию во время сварочных или монтажных работ, определяет дефекты в стратегических объектах: полотне железной дороги, трубопроводах, мостах, с его помощью достигнут рекорд скорости наземного транспорта — 603 км/ч, которую развивает знаменитый шанхайский поезд-маглев и тд.
Однако существующие методы обнаружения и оценки магнитных полей, так называемые методы «декорации» (например, магнитная жидкость и пластины) весьма условны, и не дают точной информации.
Чтобы определить распределение магнитных полей в пространстве, требуется применение специальных приборов. Именно эту проблему и удалось решить коллективу инженеров кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС».
«Сканирующий магнитометр, созданный в нашей лаборатории, представляет собой немагнитную сканирующую систему на основе 2D-плоттера, трехкомпонентный датчик магнитного поля и систему сбора данных, —
рассказал руководитель проекта, научный сотрудник кафедры цветных металлов и золота НИТУ „МИСиС“ к.ф.-м.н. Сергей Гудошников. Оригинальность прибора заключается в том, что при его изготовлении широко распространенные модули используются в новом качестве — для визуализации локальных магнитных различных магнитных объектов».
Сканирующий магнитометр позволяет измерить компоненты магнитного поля вблизи поверхности исследуемого объекта, после чего по этим данным можно построить картину магнитного поля для каждой точки.
Как можно использовать эти данные? Например, можно измерить магнитное поле и, при наличии неоднородностей поля, обнаружить возможные дефекты.
Сканирующий магнитометр, разработанный в НИТУ «МИСиС» будет применяться для тестирования магнитных полей и создания оптимальной конфигурации магнитной системы при создании экономичных и массовых моделей магнитно-резонансных томографов (МРТ). Такие МРТ, в отличие от основанных на сверхпроводящих системах, будут на порядок дешевле в обслуживании, и планируются к массовому применению в городских поликлиниках и частных медицинских кабинетах.
Прибор уже прошел лабораторные испытания и используется для тестирования постоянных магнитов в системах «низкополевого» магниторезонансного томографа (МРТ).
Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки высшего образования Российской Федерации в рамках выполнения обязательств по Соглашению о предоставлении субсидии от 26 сентября 2017 г.
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
https://ria.ru/20190613/1555493880.html
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле — РИА Новости, 13.06.2019
Загадка земного ядра: откуда у нашей планеты магнитное поле
Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают:… РИА Новости, 13.06.2019
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:00
2019-06-13T08:04
наука
наса
венера
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_0:103:3276:1946_1920x0_80_0_0_1802942d2e807a433ba5a2a21ef79391.jpg
МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год.
Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям. Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез. Миссия к «железному миру»В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром. По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий. Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты. Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков.
В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли. Почему ядро железноеЯдро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы. Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра. О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах. Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость.
Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией. Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода. Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год. Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.Кому из близнецов повезлоВенеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам. Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть.
Вероятно, все дело в происхождении близнецов. Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх. Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна. От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.А вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.
Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно. Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.Создание магнитного щитаСоотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет. Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет. В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием. Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает.
Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.
https://ria.ru/20180820/1526749995.html
https://ria.ru/20190415/1552557085.html
https://ria.ru/20180322/1516957617.html
https://ria.ru/20190129/1550035242.html
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.
ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdnn21.img.ria.ru/images/154760/95/1547609587_273:0:3004:2048_1920x0_80_0_0_9f56f605b2d18ef61f2b25095694cb36.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
наса, венера
МОСКВА, 13 июн — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Северный магнитный полюс продолжает смещаться с территории Канады в сторону архипелага Северная Земля со скоростью 55 километров в год. Ученые предполагают: готовится смена полюсов из-за волнений в жидкой части ядра планеты, недоступной прямым наблюдениям.
Что именно там происходит, понять трудно, но есть много гипотез.
Миссия к «железному миру»
В 2022 году NASA собирается отправить аппарат к астероиду Психея, находящемуся между Марсом и Юпитером. Его называют железным миром.По отражению лучей с поверхности, по тому, как быстро она нагревается и остывает, ученые поняли, что это если не полностью, то по большей части металл. Не исключено, что именно оттуда к нам прилетают железные метеориты. Это происходит очень редко, всего известно не более двух сотен таких событий.
Предполагается, что Психея — ядро планеты земной группы, которая лишилась внешних оболочек. Вместе с Землей и Венерой эта планета формировалась вблизи Солнца, но затем что-то случилось. Может, катастрофа, а может, всему виной повторные разогревы планетоземали — сгустков материи, из которых образуются планеты.
Ученые непременно хотят попасть в «железный мир», и не только ради геологической разведки месторождений в интересах наших потомков.
В первую очередь — чтобы вплотную исследовать аналог ядра Земли.
Почему ядро железное
Ядро Земли — интереснейший объект. Его состав и температура отражаются на вышележащих слоях и атмосфере. Ядро — источник магнитного поля, благодаря которому возникла жизнь. Там же — ключ к тайне образования планет земной группы.
Недра Земли исследуют с помощью сейсмических волн и моделирования. Грубо говоря, планета состоит из верхней оболочки — коры, мантии и ядра.
О том, что ядро — железное, свидетельствует несколько фактов. У Земли собственное магнитное поле, словно диполь вставлен по оси вращения. Мантия не может генерировать такое поле, она слишком слабо проводит электрический ток. Согласно модели геодинамо на это способна только проводящая жидкость. Значит, часть ядра — жидкая. Железо — один из самых распространенных элементов в Солнечной системе. Это подтверждается его обилием в метеоритах.
Во внешней части ядра не проходят упругие S-волны, значит, она жидкая. Внутренняя часть ядра радиусом примерно 1221 километр слабо распространяет S-волны — соответственно, она либо твердая, либо в состоянии, симулирующем твердость. Граница двух слоев в ядре довольно четкая, как и между ядром и нижней мантией.
Считается, что ядро железное, с небольшими примесями никеля (на это указывает состав железных метеоритов), кремния, сульфидов и кислорода.
Некоторые особенности прохождения сейсмоволн говорят о том, что внутреннее твердое ядро вращается слегка быстрее, чем мантия и кора, примерно на 0,15 градуса в год.
Когда и как образовалось ядро Земли? Каково в нем соотношение химических элементов? Почему оно не однородное? Какая там температура? Где источник энергии? И главное, почему ядро вообще сформировалось внутри планеты? По каждому из этих и множеству других вопросов есть немало гипотез.
15 апреля 2019, 08:00Наука»Садиться туда — наверняка катастрофа». Чем опасна экспедиция на ВенеруКому из близнецов повезло
Венеру считают близнецом Земли — она лишь немного меньше по массе и размерам.
Но нынешние условия на ее поверхности совершенно другие. У Земли есть собственное магнитное поле, атмосфера и биосфера.
У Венеры из этого списка — только ядовитая атмосфера с облаками из серной кислоты. Следов магнитного поля нет и в геологическом прошлом, хотя они могли и исчезнуть. Вероятно, все дело в происхождении близнецов.
Венера и Земля образовались в одной части газопылевой туманности, окружавшей Солнце. Зародыши планет увеличивались, притягивая к себе все больше материала. Когда масса стала критической, начались разогрев, плавление. Вещество разделялось на фракции: тяжелые элементы оседали внутри, легкие поднимались наверх.
Как полагают ученые из Германии, Японии и Франции, расслоение таких тел, как Земля, идет равномерно и стабильно, каждый слой — однородный. Чтобы ядро получилось двухслойное и неоднородное, где-то ближе к концу процесса планета должна была испытать очень сильный удар другого массивного тела. Часть вещества «пришельца» осталась в недрах Земли, часть была выбита на орбиту, где затем образовалась Луна.
От удара внутренности планеты перемешались, и это привело к частичному плавлению ядра.22 марта 2018, 08:00НаукаПочему Луна не из чугуна? Ученые спорят о происхождении спутника ЗемлиА вот эволюция Венеры прошла гладко, без ЧП космического масштаба. Расслоение благополучно завершилось с образованием твердого железного ядра, неспособного генерировать магнитное поле.
Есть и другая гипотеза: спонтанная кристаллизация железного расплава. Однако для этого ему нужно остыть до тысячи Кельвинов, что невозможно.
Значит, зародыши кристаллизации проникли извне, сделали вывод ученые из США. Например, из нижней мантии. Это крупные куски железа размером десятки и сотни метров. Откуда им там взяться — большой вопрос.Один из ответов лежит на поверхности Земли в виде древних железистых кварцитов. Возможно, более трех миллиардов лет назад из этих пород сложилось дно океанов. Из-за движения плит оно погрузилось в мантию и оттуда — в ядро.
Создание магнитного щита
Соотношение радиоактивных изотопов свинца указывает на возраст ядра: порядка четырех с половиной миллиардов лет.
Когда возникло магнитное поле, неизвестно. Его следы встречаются уже в самых древних горных породах Земли возрастом 3,5 миллиарда лет.
В соответствии с моделью геодинамо для магнитного поля Земли нужна проводящая жидкость, вращение которой сопровождается перемешиванием.
Проблема в том, что магнитное поле у быстро вращающихся жидкостей рано или поздно затухает. Судя по геологическим данным, на видимом нам отрезке времени интенсивность магнитного поля Земли не менялась. Должен быть какой-то постоянный мощный источник энергии.
На эту роль есть два кандидата. Температурная конвекция, возможная, если внутреннее ядро горячее внешнего, и композиционная конвекция, то есть перемещение элементов из одной части в другую. Это означает, что твердая часть ядра увеличивается. Но бояться полного застывания не стоит. На это понадобится не один миллиард лет.
29 января 2019, 08:00НаукаМагнитный полюс Земли стремится в Россию. Что это значит для нас?Астрономы впервые измерили магнитное поле в окрестностях сверхмассивной черной дыры — Наука
ТАСС, 24 марта.
Участники проекта Event Horizon Telescope впервые измерили магнитное поле в окрестностях горизонта событий сверхмассивной черной дыры, наблюдая за ее «тенью» в центре галактики M87. Об этом пишет пресс-служба Европейской южной обсерватории (ESO) со ссылкой на статьи в научном журнале Astrophysical Journal Letters (1, 2).
На эту тему
«Наши наблюдения впервые указали, что магнитные поля на ближайших окраинах черной дыры M87* настолько сильны, что выталкивают горячий газ в сторону от черной дыры и помогают ему «убегать» от ее притяжения. Пробиться через такое поле и начать движение в сторону горизонта событий может лишь небольшая часть газа», – рассказал один из авторов исследованяи, профессор Колорадского университета в Боулдере Джейсон Декстер.
В рамках проекта Event Horizons Telescope (EHT) объединены мощности нескольких самых чувствительных микроволновых радиообсерваторий мира. Его создали в 2009 году для наблюдений за сверхмассивными черными дырами в центре Млечного Пути (Sgr A*) и галактики M87 в созвездии Девы (M87*).
Один из самых заметных результатов астрономов из этого проекта – фотография “тени” черной дыры из галактики М87. Так ученые называют особый регион в окрестностях этого объекта, где можно увидеть своеобразное «отражение» ее горизонта событий – той зоны, откуда ни свет, ни любой другой материальный объект вырваться уже не может.
Это стало одним из первых прямых подтверждений существования сверхмассивных черных дыр (раньше ученые могли судить о них в основном по косвенным признакам). Тем не менее, даже получив этот снимок, ученые не нашли однозначного ответа на вопрос о том, какие физические процессы задействованы в формировании характерного огненного кольца и полумесяца, которые окружают черную сферу горизонта событий.
Ученые пока не знают, как именно черные дыры поглощают материю и какую роль в этом процессе играют магнитные поля, которые, предположительно, возникают в так называемом диске аккреции. Он представляет собой огромное кольцо из пыли и газа, которое вращается вокруг черной дыры и подпитывает ее, разогреваясь при этом до очень высоких температур.
На эту тему
Часть ученых предполагает, что магнитные поля, которые диск аккреции вырабатывает, пока его разогревает и поглощает черная дыра, очень мощны и играют ключевую роль в ее активности. Другие исследователи сомневаются в этом и считают, что ведущую роль в этих процессах играют не только магнитные поля, но и другие физические явления.
Участники проекта Event Horizon Telescope впервые проверили эти гипотезы. Они измерили магнитные поля в окрестностях черной дыры M87*, опираясь на закономерность, которую Майкл Фарадей открыл в середине XIX века. Он обнаружил, что мощные магнитные поля определенным образом закручивают волны света и заставляют его поляризоваться.
Исходя из этого силу магнитных полей у кромки горизонта событий можно измерить, если определить, насколько поляризованным было излучение “тени» черной дыры. Поэтому астрономы повторно проанализировали данные, которые собрали отдельные обсерватории-участники EHT, и сопоставили их со снимком «тени» M87*.
Оказалось, что значимая часть микроволнового излучения от “тени” была поляризована. Благодаря этому ученые составили даже своеобразную магнитную карту окрестностей M87*. Оказалось, что магнитные поля действительно играют важную роль в движении потоков материи в окрестностях горизонта событий.
Декстер и его коллеги надеются, что дальнейшее изучение данных EHT поможет уточнить, как именно магнитные поля влияют на формирование выбросов черных дыр. Понимание этого критически важно для оценки влияния сверхмассивных черных дыр на рост галактик, в том числе и Млечного Пути, заключают ученые.
Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле
Журнальный вариант одной из научных сказок из новой книги Ник. Горькавого «Электрический дракон», которая вышла в свет в издательстве «АСТ» в начале этого года.Майкл Фарадей. 1826 год. Иллюстрация: Н. W. Pickersgill, Engraveb by John Cochran/Wikimedia Commons/PD.
Книжный магазин Джорджа Рибо, где в юности работал и занимался самообразованием Майкл Фарадей.
Старинная гравюра. Иллюстрация: Wikimedia Commons/PD.
Королевский институт в Лондоне. 1830-е годы. Иллюстрация: Thomas Hosmer Shepherd/Wikimedia Commons/PD.
Майкл Фарадей. 1861 год. Фото: John Watkins/Wikimedia Commons/PD.
Демонстрация электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем. Магнит, вставляемый в катушку, вызывает появление электрического тока в цепи. Опыт и фото Владислава Сыщенко.
Майкл Фарадей даёт публичную лекцию в Королевском институте. 1856 год. Литография А. Блейкли. Иллюстрация: Wikimedia Commons/PD.
Дом Майкла Фарадея в Хэмптон-Корте. Старинная гравюра. Иллюстрация: Unknown/Wikimedia Commons/PD.
‹
›
В гости к принцессе Дзинтаре приехала королева Никки с мужем Джерри.
— У меня срочное дело к вашей маме, — заявила королева детям Дзинтары Галатее и Андрею, — поэтому я её забираю, а вам оставляю Джерри.
— Я постараюсь не сильно искрить! — пообещал Джерри. — Надеюсь, вам понравится история про гениального самоучку — знаменитого английского физика Майкла Фарадея.
Его жизнь была увлекательнее любого романа. Майкл рос в лондонском пригороде вместе с двумя сёстрами и двумя братьями в бедной семье кузнеца. В 13 лет ему пришлось начать зарабатывать. Майкл поступил рассыльным в лондонский книжный магазин, принадлежавший французскому эмигранту Джорджу Рибо. После испытательного срока мальчика оставили работать в магазине переплётчиком. Всё свободное время Майкл читал. Особенно ему нравились книги по химии и электричеству. Он даже ставил описываемые в них опыты.
— Но как он мог это делать? — удивилась Галатея. — Ведь у него не было никакого оборудования.
— Конечно, Майклу были по силам только простые эксперименты, он проводил их с помощью инструментов и материалов из кузницы своего отца, который, как и Рибо, поощрял занятия любознательного подростка и помогал ему.
Однажды отец купил Майклу необходимую для опытов «лейденскую банку» (см. «Наука и жизнь» № 4, 2017 г. — Прим. ред.).
Посетители книжного магазина тоже старались оказать содействие смышлёному юноше. Один из них подарил Фарадею билет на цикл лекций знаменитого английского физика и химика Хэмфри Дэви, которые тот читал в Королевском институте. Майкл тщательно записал лекции, переплёл их в аккуратную книжку и послал Дэви с просьбой принять его на работу в институт. Этот, по словам самого Фарадея, наивный и смелый шаг принёс результат. Дэви был поражён усердием молодого человека, ответил ему и через несколько месяцев, в начале 1813 года, взял его на работу на освободившееся место лаборанта. Фарадей исполнял свои обязанности безукоризненно и вскоре стал незаменимым помощником Дэви, особенно после того, как учёный повредил глаза при взрыве химических реактивов в своей лаборатории.
Майкл никогда не учился в школе, и тем более в университете, но несколько лет, проведённых им в книжном магазине Рибо, сделали его образованным человеком.
— Мне кажется, тут дело не в магазине, а в желании Фарадея учиться, — сказал Андрей.
— Согласен, но, если бы Майкл работал в угольной шахте, а в те времена многие дети его возраста вслед за отцами становились шахтёрами, возможностей для самообразования у него было бы гораздо меньше. Впоследствии Фарадей посвятил Джорджу Рибо одну из своих книг, а на книжном магазине, который существует до сих пор, появилась мемориальная доска, напоминающая о том, что здесь когда-то работал великий учёный.
Осенью того же 1813 года вместе с Дэви и его супругой 22-летний Майкл отправился в поездку по европейским научным центрам, где Дэви встречался с А. Ампером, Ж. Л. Гей-Люссаком и другими выдающимися учёными. Судьбоносная встреча с А. Вольтой (см. «Наука и жизнь» № 4, 2017 г., статья «Сказка об электрической лягушке и итальянском физике Алессандро Вольте, основоположнике учения об электричестве») произошла в доме знаменитого учёного на озере Комо в Италии и была довольно продолжительной.
Однажды к дому Алессандра Вольты подкатила карета, нагружённая сундуками и чемоданами. Рядом с кучером сидел молодой человек. Он спрыгнул на землю и открыл дверцу кареты. Из неё вышел элегантный господин, а за ним — его жена, пышно разодетая дама. Сварливым голосом она отдала распоряжение насчёт чемоданов, а её муж устремился к хозяину дома, который ожидал его возле крыльца.
— Приветствую вас, сэр Хэмфри Дэви, — сказал Вольта. — Трудна ли была ваша дорога?
Гость представил Вольте супругу, а потом, после некоторого колебания, своего помощника Майкла, молодого человека, ехавшего рядом с кучером и выполнявшего обязанности слуги.
К этому времени Дэви уже прославился своими открытиями в области химии и электролиза, сделанными с помощью вольтова столба. Немало часов провёл он в лаборатории Вольты, знакомясь с созданными великим учёным приборами. Майкл ходил следом и внимательно записывал пояснения хозяина, иногда задавая вопросы, которые своей глубиной удивляли его.
— Смышлёный у вас помощник, — сказал Вольта. А потом добавил: — Я нашёл пролив в новый таинственный океан электричества, которое вырабатывает моя батарея, но исследовать его придётся вам, молодому поколению. Верю, что вы откроете в нём множество секретов.
Галатея нетерпеливо спросила:
— Дэви оправдал надежды Вольты?
Джерри ответил:
— Не совсем. Конечно, он был крупным учёным, но по-настоящему великим исследователем электричества, сумевшим разгадать основные тайны «электрического дракона», стал его молодой помощник Майкл Фарадей, который вошёл в историю благодаря своим выдающимся открытиям. Ранее электрические явления не связывали с магнитными, такими как указание стрелки компаса строго на север или притяжение магнитом железных опилок. Обнаружить единство электрических и магнитных явлений помог вольтов столб. Произошло это так.
Дождливым утром 1820 года профессор Копенгагенского университета Ханс Христиан Эрстед показывал студентам опыт по нагреванию проволоки из-за текущего по ней тока от вольтовой батареи.
На лабораторном столе среди другого оборудования лежал компас. Истопник, принёсший в комнату дрова для камина, выпрямил усталую спину и вдруг заметил, что, когда профессор включил электрическую цепь, стрелка компаса дёрнулась.
— Сударь! — деликатно кашлянул остроглазый истопник, обращаясь к учёному, который проводил этот простой опыт, наверное, в сотый раз. — У вас тут компас… того… шалит!
Эрстед глубоко верил в связь магнитных и электрических явлений, поэтому обратил пристальное внимание на дрожание стрелки компаса, замеченное истопником. Ранее учёные пробовали пропускать электрический ток через магнитную стрелку, но не добились никакого результата. Эрстед провёл серию опытов и доказал, что стрелка компаса реагирует на включённый провод из любого, даже немагнитного, металла и располагается по касательной к окружности вокруг провода. Проще говоря, если расположить провод с током вертикально, то стрелка компаса укажет не на сам провод, а, например, влево. Если же окружить провод несколькими компасами, то их стрелки образуют горизонтальную окружность, в центре которой будет вертикальный провод.
После этого открытия Эрстед стал знаменитым, но история не сохранила имени остроглазого истопника. Исследователи, узнавшие об опыте Эрстеда, удивлялись тому, что магнитное взаимодействие между объектами направлено не от одного к другому, как в теории гравитации Ньютона и электростатическом законе Кулона, а в сторону.
— А что тут удивительного? — не поняла Галатея.
— А то, что электрически заряженные тела тянутся друг к другу. В гравитации все тела падают на Землю в направлении её центра. Представь себе, что ты выронила камушек и он полетел не вниз, а в сторону — параллельно земле. Результаты, полученные Эрстедом, были настолько сенсационными, что о них за считаные недели узнали во всей Европе.
В том же 1820 году французский исследователь Андре-Мари Ампер обнаружил, что два провода под током отталкиваются друг от друга или притягиваются в зависимости от направления течения тока. Он также показал, что катушка из намотанного электрического провода становится сильным магнитом.
Ампер изобрёл электромагнитный телеграф, работа которого была основана на воздействии провода с током на магнитную стрелку. Он писал: «…можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих проводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой».
Фарадея чрезвычайно увлекли эксперименты Эрстеда и Ампера. Майкл интерпретировал опыты Эрстеда следующим образом: ток в проводе создаёт вокруг магнитное поле, на которое реагирует стрелка компаса.
Но можно ли создать электрический ток из магнитного поля? Фарадей был уверен: если Эрстед превратил электричество, текущее по проводу, в магнитное поле, воздействующее на компасную стрелку, то должен быть и обратный процесс!
В 1822 году Фарадей зафиксировал в дневнике поставленную перед собой задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Примерно в это же время Дэви с другим английским физиком Волластоном попробовали сконструировать электрический двигатель, но потерпели неудачу. За решение этой сложной проблемы взялся Фарадей. Он продемонстрировал работоспособность сразу двух возможных конструкций электродвигателя. Фарадей научился превращать электрическую энергию в механическую!
— Наверное, это очень не понравилось Дэви и Волластону! — воскликнул Андрей.
— Да. Они даже стали обвинять Майкла в плагиате. Фарадею эти склоки были настолько неприятны, что он попросту перестал работать в области электродинамики и переключился на другие научные проблемы. К электрическим опытам он вернулся, когда обоих его оппонентов уже не было в живых.
В 1831 году Майкл совершил революцию в области электродинамики — открыл электромагнитную индукцию (способ превращения магнитного поля в электричество).
— А как он это сделал? — поинтересовалась Галатея. Джерри призадумался, но быстро нашёлся:
— А я сейчас вам покажу! У вас есть магнит?
— Конечно, есть! — воскликнул Андрей, и они стали копаться в большом ящике с игрушками.
— Отлично! — сказал Джерри, держа в руках подковообразный магнит. — Это лучшая детская игрушка всех времён. Теперь нам нужны провода и какой-нибудь простенький вольтметр или любой другой измеритель тока.
— Лапок дохлых лягушек у нас нет! — пошутила Галатея.
— Тогда вот этот приборчик сойдёт, — показал Джерри на найденный вольт-метр, который Андрей использовал в электрических схемах, собираемых на уроках физики.
— Теперь сделаем катушку в сотню витков, а лучше ещё больше… — Джерри стал наматывать тонкий провод вокруг пустого пластикового стаканчика — и присоединим её свободные концы к вольтметру.
— И это всё? — удивилась Галатея.
— Да! — подтвердил Джерри. — Теперь мы можем приступать к опытам.
Он взял в руки магнит и опустил его конец в стаканчик. В этот момент стрелка вольтметра дёрнулась и переместилась в сторону на несколько милливольт.
— Я видела, видела! — завопила в восторге Галатея. — Появился ток!
— У тебя острый глаз! — похвалил девочку Джерри. — Теперь вытащи магнит.
Галатея быстро выдернула магнит из стаканчика — и стрелка вольтметра снова дёрнулась, только в обратную сторону.
— Я — настоящий Фарадей! — воскликнула Галатея. И они начали экспериментировать с новой игрушкой, вернее, с новым научным прибором.
Джерри сказал, глядя на увлечённых детей:
— Фарадей доказал: изменение величины магнитного поля, пронизывающего замкнутый проводник, заставляет заряды в проводе двигаться, создаёт в нём электрический ток. Если собрать прибор, способный периодически изменять магнитное поле, пронизывающее катушку, то это будет электрический генератор — источник тока, во многих отношениях превосходящий батарею Вольты.
С помощью простых предметов Фарадей создал прототип электрогенератора, который до сих пор служит главным источником получения электрического тока. По такому же принципу работают электрогенераторы, вращаемые огромными турбинами, на гидроэлектростанциях, на тепловых и на атомных станциях, вырабатывающих электрический ток.
— А электромоторы в автомобилях тоже придумал Фарадей?
— Он показал, как из электричества получать механическую энергию. В его опыте свободно висящий провод окунался в ванночку с ртутью, в середине которой был установлен магнит. Когда по проводу шёл ток, он начинал вращаться вокруг магнита. Но от этой конструкции до электродвигателя современного типа было ещё очень далеко. И всё же первым, кто доказал, что дракона можно заставить крутить колёса и винты, был Фарадей. Его имя стало всемирно известным, академии разных стран выбирали его своим почётным членом.
— Так-так, — закивала головой Галатея. — Из рассыльного книжного магазина — в академики! Здорово!
— Ещё как здорово, но, несмотря на головокружительный взлёт в науке, Фарадей оставался исключительно скромным человеком.
Он отклонил честь быть возведённым в рыцарское достоинство, а рыцарей почитали и даже хоронили в Вестминстерском аббатстве, где покоятся английские короли и сам Исаак Ньютон. Фарадей дважды отказался от должности председателя Королевского общества — высшего научного поста в Великобритании. Он был полностью сосредоточен на науке и уклонялся от всего, что мешало ему ею заниматься.
За годы работы Фарадей поставил около 30 тысяч экспериментов. В течение 24 лет он проводил опыты по электричеству и магнетизму и посылал их описания в Лондонское королевское общество. Именно эти работы совершили революцию в электродинамике.
Одно из главных достижений Фарадея, имеющее теоретический характер, состоит в том, что он ввёл в науку понятие физического поля, что кардинально отличало электродинамику от теории гравитации Ньютона.
— Но ведь у Ньютона тоже было поле, только гравитационное. В чём же их различие? — спросил Андрей.
— Ньютоновская теория основана на дальнодействии.
Это значит, что каждое гравитирующее тело, например Юпитер, действует на другое тело, например на Сатурн, мгновенно на любом расстоянии.
— Но ведь это не так! — удивился Андрей. — Ничто не может действовать быстрее скорости света, а между Юпитером и Сатурном расстояние в несколько световых часов.
— Во времена Ньютона о конечной скорости взаимодействия никто не знал. Поэтому Ньютон исходил из бесконечной или мгновенной скорости передачи гравитационного взаимодействия. Его теория работала практически всегда хорошо, и её придерживались вплоть до начала XX века, пока Альберт Эйнштейн не построил свою теорию гравитации, согласно которой скорость распространения гравитационного поля ограничивается скоростью света.
Учёные XIX века представляли себе пространство между гравитирующими телами пустым. Фарадей считал, что пространство между зарядами и магнитами заполнено полем или средой с особыми нитями — силовыми линиями. В электродинамике не было мгновенного взаимодействия между зарядами: один заряд воздействовал на поле, оно менялось, и это изменение «чувствовал» другой заряд.
— Это не совсем понятно, — заёрзала Галатея.
— Свяжи два шарика ниткой и повесь на крючок. Потяни один шарик вниз. Как он будет воздействовать на другой шарик? Через нитку, которая стала «передавать» взаимодействие и заставлять другой шарик двигаться вверх.
Электромагнитное поле, согласно Фарадею, стало переносчиком взаимодействия между зарядами, и эта концепция является основой современной физики. С помощью своих опытов Фарадей открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Тем самым он заложил фундамент современной электрической цивилизации.
Однажды член парламента, будущий премьер-министр Великобритании Уильям Гладстон, спросил Фарадея:
— Чем же так важно это ваше электричество?
— Скоро вы будете обкладывать его налогами, — ответил Фарадей.
— А кто продолжил его дело? – у Галатеи горели глаза от нетерпения.
— Эстафету подхватил британский физик-теоретик шотландского происхождения Джеймс Максвелл, который превратил законы Фарадея в математические уравнения, названные в его честь законами электродинамики Максвелла.
Джеймс послал свою работу Фарадею. Тот сразу откликнулся: «Мой дорогой сэр, я получил Вашу статью и очень благодарен Вам за неё… Эта работа не только приятна мне, но и даёт мне стимул к дальнейшим размышлениям. Я поначалу испугался, увидев, какая мощная сила математики приложена к предмету, а затем удивился тому, насколько хорошо предмет её выдержал…»
Напряжённые исследования, которые часто были связаны с использованием вредных веществ, например ртути, подорвали здоровье Фарадея. В 1862 году он оставил работу и лишился жалования. Нехотя, лишь под воздействием общественного мнения, премьер-министр назначил ему небольшую пенсию.
— Безобразие! — возмутилась Галатея. — Учёный, который столько сделал для людей и для своей страны, остался нищим.
Джерри вздохнул:
— Увы, это обычная история жизни многих великих людей. Для Фарадея она закончилась относительно благополучно: он получил от королевы в подарок дом в Хэмптон-Корте, по соседству с одним из королевских дворцов в Лондоне.
В этом доме он прожил остаток своих лет с любимой супругой Сарой. Сейчас там музей.
Научные достижения Фарадея высоко ценили многие выдающиеся личности. Немецкий физик Герман Гельмгольц высказался просто: «До тех пор, пока люди пользуются благами электричества, они всегда будут с благодарностью вспоминать имя Фарадея». А самый известный физик XX века Альберт Эйнштейн заявил: «Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в её теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом». Ему же принадлежат слова: «…надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».
Завершая вечернюю сказку, Джерри подытожил:
— Майкл Фарадей входит в десятку, а может быть, и в пятёрку самых влиятельных учёных в истории, но он единственный из них, кто не получил формального образования, а оказался самоучкой.
В этом смысле Фарадей уникален.
Андрей задумался и стал размышлять:
— XVIII век — век электростатики, XIX — век электродинамики. А каким был XX век, ведь вся наука об электричестве уже была создана к его началу?
Джерри ответил:
— Благодаря трудам Франклина и Вольты, Фарадея и Максвелла, многих других учёных люди изучили характер «электрического дракона», измерили его силу, узнали его слабости. В ХХ веке на первый план вышли инженеры и изобретатели. Они стали конструировать различные устройства, которые заставили «электрического дракона» работать на людей, так что XX век стал веком электрических машин.
***
Андре-Мари Ампер (1775–1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Открыл важные законы электромагнетизма, в частности взаимное влияние проводников с током. В его честь названа единица силы электрического тока — ампер.
Уильям Хайд Волластон (1766—1828) — английский физик и химик.
Открыл металлы палладий и родий и впервые получил в чистом виде платину, что позволило создать платиновую посуду для выделения серной кислоты и других едких веществ и работы с ними.
Хэмфри Дэви (1778—1829) — английский химик и физик, один из создателей электрохимии. Обнаружил несколько новых химических элементов.
Джеймс Максвелл (1831—1879) — британский физик, математик и механик. Создал со- временную теорию электродинамики, уравнения которой носят его имя. Предсказал существование электромагнитных волн.
Исаак Ньютон (1643—1727) — английский физик, математик и астроном. Один из создателей классической физики.
Майкл Фарадей (1791—1867) — английский физик-экспериментатор и химик. Открыл основные законы электродинамики и создал первые образцы электрического двигателя, электрогенератора и трансформатора. Ввёл в науку понятие физического поля. В его честь названы лунный кратер и единица измерения электрической ёмкости — фарад.
Альберт Эйнштейн (1879—1955) — немецкий физик-теоретик, создатель специальной и общей теорий относительности и ряда других теорий. Лауреат Нобелевской премии 1921 года.
Ханс Христиан Эрстед (1777—1851) — датский физик, исследователь электромагнетизма. Открыл влияние провода с током на стрелку компаса. В его честь названа единица напряжённости магнитного поля — эрстед.
Борис Семёнович Якоби (1801—1874) — российский физик, инженер и изобретатель немецкого происхождения. Создатель первого электродвигателя с вращающимся якорем, а также первого в мире телеграфа, печатающего буквы.
***
Создать практичный электродвигатель пытались многие, а удалось это российскому учёному, инженеру и изобретателю немецкого происхождения Борису Семёновичу Якоби. Все остальные конструировали электродвигатель, который работал как паровая машина — двигал поршень вперёд и назад. В 1834 году Якоби предложил совершенно иной электродвигатель — с вращающейся внутренней частью.
Современные электромоторы устроены именно по этому принципу. Двигатель Якоби испытали в 1839 году на Неве. В плавание по реке отправилась лодка с 14 пассажирами. Против течения её двигал мотор Якоби мощностью в одну лошадиную силу.
Майкл Фарадей — основоположник электромагнитного поля
Майкл Фарадей (1791-1867) — английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле ( особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами). Он иностранный почетный член Петербургской академии наук (1830). Обнаружил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, химическое действие электрического тока, взаимосвязь между магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию — явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-1834) законы электролиза. Открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).
Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.
Родился Майкл Фарадей в семье кузнеца 22 сентября 1791 года, в предместье Лондона. Небольшие доходы семьи не позволили ему окончить даже среднюю школу. В 13 лет Майкл стал учеником в переплетной мастерской при книжной лавке. Работая в мастерской, Фарадей упорно занимался самообразованием — читал всю доступную ему литературу по физике и химии, посещал по вечерам и воскресеньям частные лекции по физике и астрономии. Один из клиентов книжной лавки, где работал Майкл, заметив интерес мальчика к физике и химии, помог ему попасть на лекции по этим предметам в Королевский институт. В 1813 году Фарадей получил место лабораторного ассистента в этом институте, а осенью того же года был взят выдающимся физиком Гемфри Дэви в двухлетнюю поездку по научным центрам Европы. Эта поездка для Майкла Фарадея имела большое значение: знакомство с такими учеными, как Ж.
Л.Гей-Люссак, А.Ампер и др.
Работая в Королевском институте Фарадей поначалу помогал Г.Дэви в его химических экспериментах, а потом начал проводить собственные опыты. В 1816 он уже читал курс лекций по физике и химии в обществе для самообразования. Проводя исследования, он произвел ожижение газов и получение бензола — одно из его наивысших достижений в области химии. В 1821 году он впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током, и наоборот- вращение проводника с током вокруг магнита, создав первую модель электродвигателя. До этого он уже имел около 40 опубликованных работ по химии. В 1824 году он первым получил хлор в жидком состоянии. В 1831 его десятилетние исследования связи между электричеством и магнетизмом увенчались открытием электромагнитной индукции. Это открытие принесло ученому известность .
Изучения Фарадеем прохождения электрических токов через растворы солей, щелочей и кислот, привело его к открытию законов электролиза (законы Фарадея) в 1833году.
В 1845 году он открыл явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и диамагнетизм, а в 1847- парамагнетизм. Ученый ввел понятия: подвижность, анод, катод, ионы, электроды. Изобрел вольтметр. Впервые употребил понятие магнитного поля.
Открытия Фарадея завоевали широкое признание во всем мире. Его именем, в последствии, были названы законы, явления, физические величины. В его честь была утверждена одна из почетнейших научных наград- медаль Фарадея.
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
Магия электродинамики
Семенчик Олег
Старший инженер-схемотехник
XIX век был насыщен событиями определившими технологическое будущее человечества и заложившими фундамент его современного состояния. В это время существенное развитие получил раздел физики изучающий электромагнитное поле – электродинамика.
Многие мировые ученые такие как Эрстед, Ампер, Кулон, Вольта, Лаплас, Лоренц и Эйнштейн внесли свой значимый вклад, но среди них выделяют Фарадея и Максвела. Первый экспериментально открыл явление и закон электромагнитной (э.м.) индукции, ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Второй, впервые опубликовал полную систему уравнений «классической электродинамики», описывающую эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.
Особый интерес представляют закон э.м. индукции Фарадея, определяющий генерацию электрического поля переменным магнитным и описывающий обратный процесс — закон Ампера-Максвелла, определяющий генерацию магнитного поля переменным электрическим.
Развитие электродинамики позволило в ХIХ веке создать первые трансформаторы, электрические генераторы и электродвигатели, а к концу века ввести в строй первую линию электропередач протяженностью в 170 км.
На данный момент 95% мирового производства электроэнергии генерируются в процессе преобразования различных видов энергии в электрическую, основанного на явлении э.
м. индукции. «Сердцем» преобразования является электрический генератор, где кинетическая энергия преобразуется в электрическую.
В общем случае современные электростанции преобразуют исходный вид энергии из невозобновляемых или возобновляемых источников в механическую энергию, используемую для вращения турбин, которые вращают систему магнитов, размещенных внутри гигантских медных катушек индуктивности для производства электричества. Формируемое переменное магнитное поле воздействует на электроны в медных проводниках, заставляя переходить их от атома к атому, что формирует электрическое поле в катушках и электрический ток на выходе генератора. Турбины представляют собой набор лопастей или роторов, которые вращаются от энергии потока газа, воды, пара или ветра.
Для передачи электрической энергии на дальние расстояния используют повышающие напряжение трансформаторы для снижения потерь на сопротивлениях проводов линий электропередач.
В атомной электростанции энергия реактора нагревает теплоноситель первого закрытого контура, который нагревает воду в парогенераторе второго открытого контура.
В тепловых электростанциях энергия газа, твердого или жидкого топлива вращает лопасти газовой/паровой турбины или поршневые агрегаты, на которых установлен генератор.
Работа оборудования, производимого Армтел невозможна без электронных компонентов, где используются обратимые преобразования магнитного поля в электрический ток. Любое из переговорных устройств систем IPN или DCN возможно привести к обобщённой структурной схеме, где сердцем энергетических и сигнальных преобразований будут являться трансформаторы и катушки индуктивности в различных исполнениях.
Сигнальные и силовые трансформаторы применяются для преобразования переменного напряжения и гальванической развязки. Основной силовой преобразователь напряжения импульсами частотой в 100-400 кГц передает энергию входного постоянного напряжения +48V через трансформатор. Вторичные преобразователи импульсами частотой 500-2000 кГц передают энергию постоянного напряжения через катушки индуктивности, формируя пониженное напряжение для непосредственного питания микросхем.
Гальваническая развязка подразумевает передачу сигнальной или силовой энергии посредством магнитного поля и обеспечивает отсутствие прямой электрической связи между внешними и внутренними цепями электронного устройства. Это обеспечивает безопасность устройства для пользователя и минимизацию возможных проблем от перепадов напряжения между системами заземления систем электропитания, разнесенных в пространстве.
Для передачи энергии звуковой частоты на внешний громкоговоритель отнесенный на десятки и сотни метров используется схема с повышением напряжения для снижения потерь на сопротивлении длинных линий.
Катушки индуктивности применяется для накопления энергии в магнитном поле, подавления помех и фильтрации, ограничения переменного тока и повышения или понижения напряжения во вторичных преобразователях напряжения без гальванической развязки.
Катушка индуктивности электродинамического громкоговорителя совместно с магнитной системой динамика обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую.
Переменный электрический ток звуковой частоты через катушку, размещенную на гибком подвесе относительно постоянного магнита, создает условия для создания механической силы, называемой электродинамической. Изменение этой силы будет меняться пропорционально электрическому току через проводник катушки индуктивности. Колебания диффузора, размещенного вместе с катушкой сформируют соответствующие колебания воздушного пространства.
Электрические компоненты, работающие на основе законов электродинамики играют важнейшую роль в уровне развития современной техники и образуют основу для современного мира в существующем виде.
Дополнительный материал:
Существует простой способ увидеть магнитное поле – поместить постоянный магнит в объём заполненный жидкостью с металлической стружкой. Стружка, пронизываемая магнитным полем будет стремиться разместиться на его магнитных линиях.
https://yadi.sk/i/zLTgQCz7MqdB4A
Открытие электромагнитного поля и волн
Обычно мы думаем о телекинезе как о некой сверхъестественной умственной силе.
Но слово «телекинез» происходит от греческого «кинезис», что означает «движение», и «теле», что означает «на расстоянии». А реальная вселенная полна телекинеза или движения на расстоянии.Я имею в виду, что говорит мячу упасть, когда вы его уроните? Почему магниты отталкиваются или притягиваются, не касаясь? Как солнце греет нас, когда оно находится за миллионы километров? И как сотовые телефоны чудесным образом переносят ваш голос на другой конец города или на другую сторону Земли?
Что ж, печальная правда обо всех этих телекинетических явлениях в реальном мире заключается в том, что они на самом деле не действуют на расстоянии, как люди выяснили, начиная с середины 1800-х годов.До этого мы на самом деле не знали, почему магниты могут отталкивать или притягивать друг друга издалека, как шар мог знать, что он должен был упасть на землю, или как солнце могло освещать землю. Мы просто знали, что они это сделали, и это было что-то вроде жуткого действия на расстоянии.
Но в мир физики пришли ученик лондонского переплетчика по имени Майкл Фарадей и молодой шотландец по имени Джеймс Клерк Максвелл.
Вместе Magnetic Mike и JC сделали одно из величайших открытий всех времен.Своими экспериментами Фарадей убедился, что магнитные и электрические силы не являются телекинетическим действием на расстоянии, а на самом деле являются выражением некоего лежащего в основе физического явления. Он назвал эту штуку полем, потому что она находилась вдали от объекта, как студенты на экскурсии вдали от школы.
Вдохновленный остроумием этой идеи, Максвелл сел с карандашом и бумагой и соединил экспериментальные результаты с интуицией Фарадея, используя красивую математику. Он показал, что можно описать все электричество и магнетизм с помощью идеи поля, единственного электромагнитного поля, пронизывающего все пространство.Основная идея поля, представленная Максвеллом, состоит в том, что в каждой точке пространства есть число, которое что-то говорит вам об этой точке.
Это число может быть простым числом, таким как температура в этой точке или количество кошек в этой точке, или это может быть сложное число, например направление и скорость ветра или количество атомов клубничного чизкейка, которое прошли в последнюю секунду.
Составьте диаграмму этих чисел для каждой точки вселенной, и вот что такое поле.
Итак, молодой Джей Си понял, что в каждой точке космоса, помимо числа, показывающего поток клубничного чизкейка, есть еще числа, указывающие силу и направление электромагнитного поля. Математические уравнения, которые он использовал для описания этих чисел, также связаны с тем, как сила поля в одной точке пространства влияет на силу поля в соседних точках и в соседних точках, и так далее. И именно это электромагнитное поле и то, как оно изменяется от точки к точке, помогает объяснить, как такие вещи, как магниты, статическое электричество и звонки по мобильному телефону, могут иметь эффекты дальнего действия, не являясь на самом деле телекинезом или действием на расстоянии.
Например, магнит создает возмущение в поле, которое выглядит как магнитное поле. И когда вы перемещаете магнит, Максвелл понял, что биты поля вблизи магнита изменятся, потому что магнит изменил свое положение. А затем биты поля немного дальше изменились, потому что поле рядом с ними изменилось.
А затем кусочки все дальше и даже дальше и так далее, как самая маленькая бригада ведер во вселенной, пока они в конце концов не нажмут на другой магнит, может быть, на стрелку компаса.
С другой стороны, электрон создает возмущение в поле, которое просто говорит другим электронам: «Эй, отойди от меня». Но если вы встряхнете электрон, он пошлет рябь по полю, как волны на озере. Удивительная вещь, которую осознал JC, заключалась в том, что эти электромагнитные волны, или волны, движутся с той же скоростью, что и свет. На самом деле они легкие. JC обнаружил, что свет — это электромагнитная волна.
И именно эти волны представляют собой бригаду ведра, передающую тепло от солнца на Землю или сигнал от вашего мобильного телефона к вашей матери или свет от лампочки к вашим глазам.Единственная причина, по которой мы воспринимаем все это как действие на расстоянии, заключается в том, что мы не можем видеть скрытую бригаду ведер, которая творится у нас под самым носом. Но он есть, как показали бесчисленные эксперименты со времен Фарадея.
Итак, Magnetic Mike и JC и их описание электромагнитных полей объяснили магниты, электричество и свет без всякой необходимости в телекинезе или других действиях на расстоянии. В процессе они заложили основы всей физики ХХ века.Потому что сегодня поля являются краеугольным камнем нашего понимания Вселенной.
Ученые и электромагнитные волны:Максвелл и Герц
Электромагнитная волна существует, когда изменяющееся магнитное поле вызывает изменяющееся электрическое поле, которое затем вызывает другое изменение магнитного поле и так далее навсегда.В отличие от СТАТИЧЕСКОГО поля, волна существовать не может. если он не движется. После создания электромагнитная волна будет продолжаться вечно, если оно не поглощено материей.
С помощью этого генератора Герц решил две проблемы. Первый, время волн Максвелла. Он продемонстрировал в бетоне, что Максвелл только предположил — что скорость радио волны равнялись скорости света! (Это доказало, что радиоволны были форма света!) Во-вторых, Герц узнал, как сделать электрические и магнитные поля отделяются от провода и уходят на свободу, как волны Максвелла. Вернуться к «Что такое электромагнитные волны?» |
Джеймс Клерк Максвелл — MagLab
Джеймс Клерк Максвелл был одним из самых влиятельных ученых девятнадцатого века.
Его теоретические работы по электромагнетизму и свету во многом определили направление, в котором будет развиваться физика в начале 20 века. Действительно, согласно Альберту Эйнштейну, «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймса Клерка Максвелла.
”
Когда он родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге, Шотландия, будущий ученый был известен только как Джеймс Клерк, но фамилия Максвелл была добавлена к его названию, когда его отец, поверенный, унаследовал поместье от предков. с этим именем. Максвелл был единственным ребенком в семье, и его мать умерла от рака, когда ему было 8 лет. Сначала был нанят наставник, чтобы обучать его, но затем, в 1841 году, он был зачислен в Эдинбургскую академию. Его интересы были широкими, и в 14 лет была опубликована его первая статья.Предметом была геометрия, и его навыки в этой и других математических областях помогли ему в его многочисленных научных начинаниях. Максвелл начал учиться в Эдинбургском университете в 1847 году и опубликовал еще две статьи, еще будучи подростком.
Максвелл перевелся в 1850 году в Кембриджский университет, где он был образцовым студентом и получил различные награды, в том числе премию Смита. Он окончил университет в 1854 году и получил стипендию Тринити-колледжа.
Как научный сотрудник Максвелл начал исследования двух тем, которые он будет исследовать на протяжении всей своей жизни: цвета и магнетизма.Результатом этой работы стала публикация двух статей в 1855 году: «Эксперименты с цветом, воспринимаемым глазом, с замечаниями о дальтонизме», и «О линиях силы Фарадея». В том же году Максвелл был избран членом Королевского общества Эдинбурга, а в следующем году он получил назначение профессором естественной философии в Маришальском колледже Абердинского университета. Его отец, с которым он был очень близок, умер незадолго до назначения, и Максвелл унаследовал семейное поместье.В 1858 году он женился на Кэтрин Мэри Дьюар, с которой познакомился через коллегу по колледжу.
В течение своих лет в Абердине Максвелл проводил исследования в ряде областей, но особенно заинтересовался природой колец Сатурна, предметом премии Адамса 1857 года. Решив побороться за приз, он потратил два года, пытаясь найти способ точно определить состав колец.
В конце концов он предположил, используя чисто математические рассуждения, что кольца не могли бы быть стабильными, если бы они состояли из однородного твердого тела, что привело его к выводу, что кольца должны состоять из неизвестного числа несвязанных частиц.Теория Максвелла, окончательно доказанная столетием спустя, когда к Сатурну были отправлены космические зонды «Вояджер», принесла ему престижную премию. Это исследование привело к более общим исследованиям тепла и кинетики газов. В 1859 году Максвелл разработал статистическое описание распределения скоростей между молекулами, составляющими газ, которое в конечном итоге будет расширено до закона распределения Максвелла-Больцмана .
Максвелл стал профессором Королевского колледжа в Лондоне в 1860 году.Пять лет, которые он проработал в этом учреждении, обычно считаются его наиболее прибыльными с научной точки зрения. В это время он применил свои более ранние исследования цветового зрения и оптики к фотографии, создав первую в мире цветную фотографию в 1861 году.
Для этого он разработал трехцветный процесс, в котором один и тот же объект был сфотографирован через красные, синие и зеленые светофильтры. , и три полученных изображения были объединены в одно. Также во время учебы в Королевском колледже Максвелл продолжил свою работу с газами, кульминацией которой стал его важный трактат «О динамической теории газов» в 1867 году, и добился революционных успехов в области электромагнетизма.
Именно за его электромагнитную теорию Максвелл чаще всего приписывают фундаментальное изменение курса физики. Чтобы прийти к своей теории, Максвелл позаимствовал и расширил идеи, ранее разработанные несколькими другими учеными, включая Майкла Фарадея, Уильяма Томсона (лорд Кельвин) и Карла Фридриха Гаусса, среди других. Из своей попытки перевести экспериментальные открытия Фарадея на язык математики Максвелл пришел к набору уравнений, которые всесторонне описывают производство и взаимосвязь между электрическими полями и магнитными полями.
Основываясь на уравнениях, известных сегодня просто как уравнения Максвелла , он смог предсказать, что волны колеблющихся электрических и магнитных полей движутся в пространстве с определенной скоростью, которая, по его расчетам, была примерно эквивалентна скорости света (позже, более точные средства измерения подтвердили точную эквивалентность). Впоследствии Максвелл предположил, что свет был лишь одним из многих возможных типов электромагнитного излучения. Уравнения Максвелла впервые появились в 1864 году в статье под названием «Динамическая теория электромагнитного поля», , но более полно были рассмотрены в его Трактате об электричестве и магнетизме , опубликованном в 1873 году.
Согласно теории Максвелла (которая, делая упор на поля, явно противоречила теории действия на расстоянии, которая была популярна в то время), электромагнитные волны должны иметь возможность генерироваться и изучаться в лаборатории.
Фактически, как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучение, которые находятся за пределами видимого электромагнитного спектра, уже были обнаружены и исследованы. Однако только после того, как Уильям Генрих Герц открыл радиоволны в 1887 году, было доказано, что существует дополнительное электромагнитное излучение, выходящее за пределы видимого спектра.Теория Максвелла не только предвосхитила это открытие, но и сильно повлияла на общепринятое понимание физического мира и помогла привести к специальной теории относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теории Макса Планка.
Максвелл ушел из Королевского колледжа в 1865 году и переехал в дом в Шотландии, который оставил ему его отец. Однако он оставался активным в лондонских академических кругах, возвращаясь в Англию по крайней мере раз каждую весну и продолжая участвовать в математических экзаменах Кембриджского университета.Более того, Максвелл продолжал свою научную работу дома, за это время завершив большую часть своего Трактата и написав работы по газам, топологии и теории тепла.
Он стал гораздо более тесно связан с Кембриджем в 1871 году, когда он был назначен первым Кавендишским профессором физики в этом учреждении. В его обязанности на новой должности входило наблюдение за созданием Кавендишской лаборатории и редактирование исследовательских работ Генри Кавендиша.Максвелл проработал в Кавендишской лаборатории до 1879 года, когда из-за приступа рака брюшной полости, той же болезни, которая ускорила смерть его матери, он слишком заболел, чтобы продолжать его существование. Он умер 5 ноября того же года и был похоронен в своей родной Шотландии.
Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как два человека революционизировали физику
«Это просто лучшая книга такого рода, которую я когда-либо читал, и мне она очень понравилась. Не мог оторваться. [Их открытие] было невероятным достижением человечества.- Чарли Мангер, вице-председатель Berkshire Hathaway Corporation, на телеканале CNBC Squawk Box «Убедительно. … Живой рассказ о людях и их времени, а также блестящее изложение научных обстоятельств и значения их работы »- Kirkus Reviews, ЗВЕЗДНЫЙ ОБЗОР« Жизнь и наука этих двух гигантов физики девятнадцатого века прекрасно задокументированы и описаны. в этой захватывающей книге »- Эрик Д’Хокер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; бывший президент Аспенского центра физики «Если книга об электромагнитном поле может быть« перелистывающим листом », то эта книга — один из них! .. . Такой концептуальный подход к тому, что может быть непростой темой. . . делает мысли этих великих ученых доступными для всех. Я настоятельно рекомендую эту книгу всем, кто увлечен наукой ». — NSTA рекомендует« Возможно, имена Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла не так хорошо известны, как Ньютон или Эйнштейн, но они должны быть. В книге прослеживается их удивительное сотрудничество … Но столь же увлекательна история открытия, как и история людей, стоящих за ним … Увлекательная правдивая история о жизнях двух выдающихся ученых-физиков! » —АстроГуйз “Сочетает в себе историю науки и живую биографию.… Доступный текст и ощущение характера делают этот обзор интересным для двух ученых, чьи работы определили эпоху и задали курс современной физике ». — Publishers Weekly« Поклонники биографий, а также все, кто интересуется наукой и технологиями… будут наслаждаться читать об этих «двух скромных и гениальных мужчинах, совместные усилия которых изменили мир» »- Библиотечный журнал—
« «Это лучшая книга такого рода, которую я когда-либо читал, и мне она очень понравилась. Не мог оторваться.[Их открытие] было невероятным человеческим достижением », — Чарли Мангер, вице-председатель Berkshire Hathaway Corporation, на канале CNBC Squawk Box« Убедительно. … Живой рассказ о людях и их времени, а также блестящее изложение научных обстоятельств и значения их работы »- Kirkus Reviews, ЗВЕЗДНЫЙ ОБЗОР« Жизнь и наука этих двух гигантов физики девятнадцатого века прекрасно задокументированы и описаны. в этой захватывающей книге »- Эрик Д’Хокер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; бывший президент Аспенского центра физики «Если книга об электромагнитном поле может быть« перелистывающим листом », то эта книга — один из них! .. . Такой концептуальный подход к тому, что может быть непростой темой. . . делает мысли этих великих ученых доступными для всех. Я настоятельно рекомендую эту книгу всем, кто увлечен наукой ». — NSTA рекомендует« Возможно, имена Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла не так хорошо известны, как Ньютон или Эйнштейн, но они должны быть. В книге прослеживается их удивительное сотрудничество … Но столь же увлекательна история открытия, как и история людей, стоящих за ним … Увлекательная правдивая история о жизнях двух выдающихся ученых-физиков! » —АстроГуйз “Сочетает в себе историю науки и живую биографию.… Доступный текст и ощущение характера делают этот обзор интересным для двух ученых, чьи работы определили эпоху и задали курс современной физике ». — Publishers Weekly« Поклонники биографий, а также все, кто интересуется наукой и технологиями… будут наслаждаться читая об этих «двух скромных и гениальных мужчинах, совместные усилия которых изменили мир». — Библиотечный журнал
—
Пионеры в области электричества и магнетизма
Пионеры в области электричества и магнетизма
Ампер, Цельсий, Кельвин, Герц, Тесла: эти термины знакомы всем студентам, изучающим естественные науки.За ними стоит группа ученых, вошедших в историю своими новаторскими работами в области магнетизма и электричества. Кем были эти блестящие изобретатели, физики и химики и какой вклад они внесли в свои области — и в нашу жизнь? Познакомьтесь с этими первопроходцами, посетив отдельные страницы ниже, которые размещены на нашем дочернем сайте в Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Таллахасси, Флорида.
Андре-Мари Ампер (1775-1836) — Хотя он не был первым человеком, наблюдавшим связь между электричеством и магнетизмом, Андре-Мари Ампер был первым ученым, который попытался теоретически объяснить и математически описать это явление.Его вклад заложил основу, на которой была построена электродинамика (термин, придуманный Ампером, но теперь более известный как электромагнетизм).
Сванте Аррениус (1859-1927) — Сванте Аррениус родился в Вик, Швеция, и стал первым уроженцем этой страны, получившим Нобелевскую премию. Премия по химии была вручена ему в честь его теории электролитической диссоциации . В той зарождающейся форме, которая появилась в его докторской диссертации, теория была плохо воспринята его профессорами.Едва проходная оценка, которую ему дали за диссертацию, не обескуражила Аррениуса, и его настойчивость в конечном итоге привела к всеобщему принятию многих его идей относительно электролитов, кислот, оснований и химических реакций.
Джон Бардин (1908–1991) — Джон Бардин был одним из немногих лиц, дважды удостоенных Нобелевской премии, и первым ученым, получившим двойные награды по физике. Оба раза он разделил приз с другими. Впервые его со-реципиентами были Уолтер Браттейн и Уильям Шокли, которые объединили свои усилия с Браттейном в изобретении транзистора .Во второй раз он разделил премию с Леоном Купером и Робертом Шриффером, вместе с которыми разработал первую общепринятую теорию низкотемпературной сверхпроводимости.
Георг Беднорц (1950-настоящее время) — Й. Георг Беднорц совместно с К. Алексом Мюллером произвел революцию в исследованиях сверхпроводимости, открыв совершенно новый класс сверхпроводников, часто называемых высокотемпературными сверхпроводниками . С тех пор, как Хайке Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в 1911 году, все сверхпроводники, известные до времени открытия Беднорца и Мюллера, потеряли свое электрическое сопротивление и перешли в сверхпроводящее состояние при температурах, едва превышающих абсолютный ноль.Эти ранние сверхпроводники были сделаны из металлов или полупроводниковых сплавов, но Беднорцу и Мюллеру удалось добиться сверхпроводимости при температурах выше, чем это было возможно ранее, с помощью керамики, сделанной из смесей металлических оксидов.
Герд Бинниг (1947 г. — настоящее время) — Уроженец Германии, физик Герд Бинниг совместно с Генрихом Рорером разработал сканирующий туннельный микроскоп ( STM ), в то время как они вместе работали в исследовательской лаборатории IBM в Швейцарии.Изобретение СТМ позволило ученым по-новому войти в атомный мир и явилось крупным достижением в области нанотехнологий. За свои выдающиеся достижения Бинниг и Рорер разделили Нобелевскую премию по физике 1986 года с Эрнстом Руска, изобретателем электронного микроскопа. В том же году Бинниг разработал первый атомно-силовой микроскоп ( AFM ), еще больше расширив набор инструментов, доступных исследователям, стремящимся лучше понять материалы в атомном масштабе.
Феликс Блох (1905-1983) — Физик Феликс Блох разработал неразрушающий метод точного наблюдения и измерения магнитных свойств ядерных частиц. Он назвал свой метод ядерной индукцией, но ЯМР ( ЯМР ) вскоре стал предпочтительным термином для этого метода, что явилось заметным прогрессом по сравнению с более ранней техникой, разработанной Исидором Раби. Блох получил половину Нобелевской премии по физике в 1952 году за эту работу, разделив эту награду с Эдвардом Перселлом, который независимо разработал аналогичный метод достижения и обнаружения ядерного магнитного резонанса примерно в то же время.ЯМР является основой важного метода медицинской визуализации — магнитно-резонансной томографии ( MRI ).
Уолтер Браттейн (1902-1987) — Вальтер Хаузер Браттейн обнаружил фотоэффект, который возникает на свободной поверхности полупроводника, и был одним из создателей точечно-контактного транзистора , проложившего путь для более совершенных типы транзисторов, которые в конечном итоге заменили электронные лампы почти во всех электронных устройствах во второй половине двадцатого века.Изобретение транзистора произошло в Bell Labs, где Браттейн тесно сотрудничал с Джоном Бардином в составе группы физики твердого тела, возглавляемой Уильямом Шокли. Браттейн, Бардин и Шокли разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за совместные усилия по разработке транзистора.
Андерс Цельсий (1701-1744) — Андерс Цельсий наиболее известен как изобретатель температурной шкалы, носящей его имя. Шведский астроном, однако, также известен как первый человек, который установил связь между сияющим атмосферным явлением, известным как aurora borealis , или северное сияние, и магнитным полем Земли.Он опубликовал свои исследования северного сияния, в том числе свои точные предположения относительно его связи с магнетизмом, в 1733 году.
Леон Купер (1930-настоящее время) — Леон Купер разделил Нобелевскую премию по физике 1972 года с Джоном Бардином и Робертом Шриффером, с которыми он разработал первую широко признанную теорию сверхпроводимости. Теория BCS, получившая название , в значительной степени основана на явлении, известном как спаривание Купера . Согласно теории, электроны в сверхпроводящем материале образуют связанные пары, которые вместе действуют как единая система.Если движение всех пар не будет остановлено одновременно, ток, протекающий через сверхпроводник, не встретит сопротивления и будет продолжаться до бесконечности.
Шарль-Огюстен де Кулон (1736-1806) — Шарль-Огюстен де Кулон изобрел устройство, получившее название торсионные весы , которое позволило ему измерять очень маленькие заряды и экспериментально оценивать силу притяжения или отталкивания между двумя заряженными тела. Данные, которые он получил благодаря широкому использованию торсионных весов, позволили Кулону сформулировать один из фундаментальных законов электромагнетизма, который носит его имя (закон Кулона).
Уильям Крукс (1832-1919) — Английский ученый Уильям Крукс был очень новаторским в своих исследованиях электронных ламп и разработал множество различных типов, которые будут использоваться в его экспериментальной работе. Трубки Крукса представляют собой стеклянные вакуумные камеры, которые содержат положительный электрод (анод) и отрицательный электрод (катод). Когда между электродами одной из трубок пропускается электрический ток, в камере можно увидеть свечение. Крукс также открыл элемент таллий.
Хамфри Дэви (1778-1829) — Хамфри Дэви был пионером в области электрохимии, который использовал электролиз для выделения многих элементов из соединений, в которых они встречаются в природе. Электролиз — это процесс, при котором электролит изменяется или разлагается под действием электрического тока. Помимо выделения натрия, калия и других щелочноземельных металлов, электролиз позволил Дэви опровергнуть мнение французского химика Антуана-Лорана Лавуазье о том, что кислород является важным компонентом всех кислот.
Питер Дебай (1884-1966) — Питер Дебай провел новаторские исследования молекулярных дипольных моментов, сформулировал теории магнитного охлаждения и электролитической диссоциации и разработал метод дифракции рентгеновских лучей для использования с порошкообразными, а не кристаллизованными веществами. . В его работе с дипольными моментами векторные величины, связанные с распределением электрических зарядов, измеряются в дебай, . Кроме того, в знак признания ряда своих научных вкладов Дебай получил Нобелевскую премию по химии в 1936 году.
Ли Де Форест (1873-1961) — Американский изобретатель Ли Де Форест был пионером радио и кино. За свою жизнь он получил более 300 патентов, самый важный из которых был на трехэлектродную вакуумную лампу , или триод, которую он назвал Audion. Изобретение Audion, устройства, способного усиливать и модулировать электромагнитные сигналы, которое также могло функционировать как генератор, было решающим шагом в ранней электронной промышленности.До изобретения транзистора в 1948 году триод использовался практически во всем электронном оборудовании.
Поль А. М. Дирак (1902–1984) — Поль Адриан Морис Дирак был выдающимся физиком-теоретиком двадцатого века, работа которого была фундаментальной для развития квантовой механики и квантовой электродинамики. Он был удостоен Нобелевской премии по физике совместно с Эрвином Шредингером в 1933 году за его вклад в теорию атома. К тому времени предсказание Дирака о существовании антивещества было экспериментально доказано.
Виллем Эйнтховен (1860-1927) — Виллем Эйнтховен изобрел струнный гальванометр, который можно было использовать для прямой регистрации электрической активности сердца. Исследования, которые он провел с устройством, позволили ему определить, что графические записи сердечной деятельности, или электрокардиограмм , как они стали называться, в целом соответствуют базовому типу, что люди производят свои собственные характерные электрокардиограммы, обычно соответствующие этому типу, и что отклонения часто связаны с сердечными заболеваниями.За открытие механизма электрокардиограммы Эйнтховен был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1924 году.
Роланд Этвеш (1848-1919) — Васарошнаменьи Баро Этвеш Лоранд, более известный как Роланд Эётвёш или Лоранд Этвёш во всем мире, был венгерским физиком, который получил наибольшее признание за свои обширные экспериментальные работы с гравитацией, но важные исследования капиллярности и магнетизма. Он использовал инструмент собственной конструкции, обычно называемый весами Etvs , для проведения обширных измерений, в конечном итоге продемонстрировав с гораздо более высокой степенью точности, чем когда-либо ранее, что гравитационная масса и инертная масса эквивалентны.
Энрико Ферми (1901-1954) — Энрико Ферми был титаном физики двадцатого века. Знаток теории и экспериментов, американец итальянского происхождения изложил статистические законы, которые управляют поведением частиц, которые подчиняются принципу исключения Паули, и разработал теоретическую модель атома, когда ему было всего около двадцати пяти лет. Он продолжил включать нейтральную частицу (беззаботно провозглашенную Ферми как нейтрино или маленькую нейтральную), выдвинутую Вольфгангом Паули, в количественную теорию бета-распада, а также продемонстрировал, что бомбардировка элементов нейтронами может генерировать искусственные радиоактивность и медленные нейтроны вызывают много ядерных реакций Бер.Эти последние открытия проложили путь к изобретению ядерных реакторов и атомной бомбы.
Ричард Фейнман (1918-1988) — Физик-теоретик Ричард Филлипс Фейнман значительно упростил способ описания взаимодействия частиц, представив диаграммы, которые теперь носят его имя ( диаграммы Фейнмана, ) и был соавтором. — лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. за переработку квантовой электродинамики ( QED ).Его часто помнят как за его необычный характер и живой ум, так и за его значительный вклад в физику двадцатого века.
Джон Эмброуз Флеминг (1849-1945) — Джон Амброуз Флеминг был пионером электроники, который изобрел колебательный клапан , или вакуумную лампу, устройство, которое поможет сделать возможными радиоприемники, телевизоры, телефоны и даже первые электронные компьютеры. Блестящий новатор, Флеминг был особенно искусен в решении технических проблем, и в разные периоды своей жизни он был близко знаком с Джеймсом Клерком Максвеллом, Томасом Эдисоном и Гульельмо Маркони.Он преподавал в Университетском колледже в Лондоне в течение многих лет, и ему часто приписывают разработку правила правой руки , которое помогает своим ученикам легко определять отношения между направлением тока, его магнитным полем и электродвижущей силой.
Луиджи Гальвани (1737-1798) — Луиджи Гальвани был пионером в области электрофизиологии, отрасли науки, связанной с электрическими явлениями в организме. Его эксперименты с рассеченными лягушками и электрическими зарядами привели его к предположению о существовании ранее неизвестного типа электричества, которое он назвал животным электричеством .Объяснение Гальванисом его экспериментальных результатов было спорным и вдохновило Алессандро Вольта на разработку альтернативной точки зрения, а также на изобретение гальванической батареи.
Карл Фридрих Гаусс (1777-1853) — Хотя он наиболее известен как один из величайших математиков всех времен, Карл Фридрих Гаусс также был пионером в изучении магнетизма и электричества. Чтобы облегчить обширное исследование земного магнетизма, он изобрел ранний тип магнитометра , который представляет собой устройство, способное измерять направление и силу магнитного поля.Гаусс также разработал последовательную систему магнитных единиц и вместе с Вильгельмом Вебером построил один из первых электромагнитных телеграфов. Законы Гаусса, описывающие магнитные и электрические потоки, послужили частью основы, на которой Джеймс Клерк Максвелл разработал свои знаменитые уравнения и электромагнитную теорию.
Мюррей Гелл-Манн (1929-настоящее время) — Мюррей Гелл-Манн — физик-теоретик, получивший Нобелевскую премию по физике в 1969 году за свой вклад в физику элементарных частиц.Он особенно известен своей ролью в создании организации в мире субатомных частиц, который до его работы казался граничащим с хаосом, а также разработкой концепции кварков и . В конце своей карьеры его внимание сместилось с самых основных аспектов природы на сложные адаптивные системы, которые он в настоящее время исследует в Институте Санта-Фе.
Уильям Гилберт (1544-1603) — Уильям Гилберт был английским врачом и естествоиспытателем, написавшим шеститомный трактат, в котором собрана вся информация о магнетизме и электричестве, известная в то время.Работа под названием De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( О магните, магнитных телах и Великом магните Земли ) включала описания многих собственных экспериментов Гилбертса и выводы он извлек из них, а также данные, которые ранее были получены другими. В этом сочинении Гилберт установил большую часть базовой терминологии, все еще используемой в области электромагнетизма, включая электричество, электрическое притяжение, силу и магнитный полюс.
Джозеф Генри (1797-1878) — Джозеф Генри был американским ученым, который первым создал практические электромагниты типа B и построил один из первых электромагнитных двигателей. Во время своих экспериментов с электромагнетизмом Генри обнаружил свойство индуктивности в электрических цепях, которое было впервые обнаружено примерно в то же время в Англии Майклом Фарадеем, который первым опубликовал на эту тему. В честь Генри единица индуктивности в системе СИ носит его имя.Один генри равен индуктивности цепи с индуцированным напряжением в один вольт и индуцирующим током, который изменяется на один ампер в секунду.
Генрих Герц (1857-1894) — Открытие радиоволн, которое широко рассматривалось как подтверждение электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла и проложило путь к многочисленным достижениям в области коммуникационных технологий, было сделано немецким физиком Генрихом Герцем. В конце 1880-х годов Герц провел всестороннее исследование волн, чтобы понять их поведение.В ходе исследования он обнаружил, что радиоволны распространяются по прямым линиям и могут быть сфокусированы, дифрагированы, преломлены и поляризованы.
Карл Янский (1905-1950) — Карл Янский, открывший внеземные радиоволны при исследовании возможных источников помех в коротковолновой радиосвязи через Атлантику для Bell Laboratories, часто известен как отец радиоастрономии. После своего открытия Янски оставался в Белле и продолжал вносить свой вклад в улучшение радиосвязи, хотя у него никогда не было возможности продолжить исследование радиоволн, которые он обнаружил первым.Генеральная ассамблея Международного союза астрономов приняла jansky в качестве единицы измерения интенсивности радиоволн как дань уважения ему.
Джеймс Джоуль (1818-1889) — Джеймс Прескотт Джоуль всю свою жизнь экспериментировал с двигателями, электричеством и теплом. Находки Джоуля привели к его развитию механической теории тепла и закона Джоуля , который количественно описывает скорость, с которой тепловая энергия производится из электрической энергии за счет сопротивления в цепи.Первоначально многие ученые XIX века скептически относились к работе Джоуля, но его усилия оказались фундаментальными для современного понимания термодинамики.
Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824-1907) — Уильям Томсон, известный как лорд Кельвин, был одним из самых выдающихся ученых девятнадцатого века и сегодня наиболее известен как изобретатель международной системы абсолютной температуры, носящей его имя. . Он внес вклад во множество различных областей, включая электричество, магнетизм, термодинамику, гидродинамику, геофизику и телеграфию, опубликовав за свою жизнь более 650 статей.Томсон также был чрезвычайно опытным инженером, который запатентовал около 70 изобретений и принимал активное участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля.
Джек Килби (1923–2005) — Интегральная схема послужила толчком к развитию микроэлектроники во второй половине двадцатого века и проложила путь к информационной эре. Американский инженер Джек Килби изобрел интегральную схему в 1958 году, вскоре после того, как начал работать в Texas Instruments.Масштабы важности изобретений отражены в том факте, что в 2000 году Килби получил Нобелевскую премию по физике — награду, которая традиционно присуждается за теоретические, а не прикладные работы.
Клаус фон Клитцинг (1943 г. — настоящее время) — Клаус фон Клитцинг — лауреат Нобелевской премии, получивший в 1985 г. престижную награду за открытие квантованного эффекта Холла , иногда называемого квантовым эффектом Холла . Открытие фон Клитцингса стало результатом его работы по исследованию явления, которое более века назад наблюдал американский физик Эдвин Холл.Как обнаружил Холл, когда магнитное поле прикладывается под прямым углом к тонкому слою проводящего или полупроводникового материала с протекающим через него электрическим током, поперечное напряжение (эффект Холла) возникает на материале. Сосредоточившись на двумерных системах, поддерживаемых близкими к абсолютному нулю и подвергнутых воздействию чрезвычайно сильных магнитных полей, фон Клитцинг продемонстрировал, что эффект Холла не является непрерывным явлением, а скорее возникает дискретными шагами с удивительной точностью.
Пол Лаутербур (1929-2007) — Химик Пол Лаутербур первым применил ядерный магнитный резонанс ( ЯМР, ) для медицинской визуализации. В начале 1970-х годов он разработал метод, теперь известный как магнитно-резонансная томография ( MRI ), который включает введение градиентов в магнитное поле, используемое для ЯМР, и анализ полученных данных для создания двухмерных изображений органов и мягких тканей. ткани. Позже неинвазивный метод был усовершенствован для практического применения английским физиком Питером Мэнсфилдом.Лаутербур и Мэнсфилд разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2003 году за работу с широко используемым сейчас МРТ.
Зигмунд Лёве (1885-1962) — Зигмунд Лёве был немецким инженером и бизнесменом, который разработал электронные лампы, предшественники современной интегральной схемы. Он был пионером в области радио- и телевещания, и компания, которую он основал вместе со своим братом Дэвидом Лоу в 1923 году, стала основой сегодняшней Loewe AG, корпорации, которая продолжает оставаться лидером в индустрии бытовой электроники.
Теодор Майман (1927-настоящее время) — Теодор Майман построил первый в мире работающий лазер, в котором использовался небольшой синтетический стержень с посеребренными концами для получения узкого пучка монохроматического света с длиной волны примерно 694 нанометра. По иронии судьбы, первая статья Маймана, объявляющая об этом важном достижении, которое многие другие ученые пытались завершить самостоятельно, была отклонена в издании Physical Review Letters . Однако с тех пор лазеры стали широко использоваться для многих целей, включая хирургию, сварку, специальные эффекты, сканеры штрих-кода, волоконную оптику, отбеливание зубов и чтение компакт-дисков и DVD.
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) — Джеймс Клерк Максвелл был одним из самых влиятельных ученых девятнадцатого века. Его теоретические работы по электромагнетизму и свету во многом определили направление, в котором пойдет физика в начале двадцатого века. Действительно, согласно Альберту Эйнштейну, «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймса Клерка Максвелла».
Вальтер Мейснер (1882-1974) — Вальтер Мейснер обнаружил во время работы с Робертом Оксенфельдом, что сверхпроводники вытесняют относительно слабые магнитные поля из своей внутренней части и являются диамагнитными по Блайю.Это явление, широко известное как эффект Мейснера или эффект Мейснера-Оксенфельда, связано с генерацией экранирующих токов вдоль поверхности сверхпроводника, которые могут нейтрализовать приложенное магнитное поле. После этого открытия Мейсснеру предложили и приняли кафедру технической физики в Технологическом институте им. Мниха в 1934 году.
Роберт Милликен (1868-1953) — Роберт Эндрюс Милликен был выдающимся американским физиком, внесшим значительный вклад как в чистую науку, так и в естественнонаучное образование.Он особенно известен своим высокоточным определением заряда электрона с помощью классического эксперимента с каплей масла , подвиг, который вместе с его работой над фотоэлектрическим эффектом принес ему Нобелевскую премию по физике в 1923 году. Интересно, что Милликанс. Научные достижения способствовали всеобщему признанию квантовой теории атома Нильса Бора и фотоэлектрического уравнения Альберта Эйнштейна, что стало важным шагом, ускорившим их признание Нобелевским фондом в 1922 и 1921 годах соответственно, и, что более важно, поставив современную физику на прочный фундамент. .
Карл Александр Мллер (1927-настоящее время) — В поисках новых сверхпроводников швейцарский физик-теоретик Карл Александр Мюллер и его молодой коллега Дж. Георг Беднорц отказались от металлических сплавов, обычно используемых в исследованиях сверхпроводимости, в пользу класса сверхпроводников. оксиды, известные как перовскиты. Необычное направление их работы привело к важному прорыву в сверхпроводимости 1986 года при более высокой температуре, чем когда-либо ранее. Когда Мюллер и Беднорц объявили о своем открытии, это вызвало такой переполох в научном сообществе, что вскоре лаборатории по всему миру начали экспериментировать с керамическими перовскитами в надежде достичь еще более высоких сверхпроводящих температур.
Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) — Открытие Ганса Христиана Эрстеда навсегда изменило представление ученых об электричестве и магнетизме. Готовясь к проведению эксперимента во время лекции в Копенгагенском университете, он обнаружил, что намагниченная стрелка компаса отклоняется всякий раз, когда электрический ток через гальваническую батарею (ранняя форма батареи) запускается или останавливается. Это удивительное событие стало твердым доказательством того, что электричество и магнетизм связаны явлениями.
Георг Ом (1789-1854) — Георг Симон Ом имел скромные корни и большую часть своей жизни боролся в финансовом отношении, но сегодня немецкий физик хорошо известен своей формулировкой закона, названного законом Ома , описывающего математические процессы. соотношение между электрическим током, сопротивлением и напряжением. Закон Ома гласит, что постоянный ток ( I ), протекающий через материал с заданным сопротивлением, прямо пропорционален приложенному напряжению ( В, ) и обратно пропорционален сопротивлению ( R ).
Хайке Камерлинг-Оннес (1853-1926) — Хайке Камерлинг-Оннес был голландским физиком, который первым наблюдал явление сверхпроводимости , выполняя новаторские работы в области криогеники . Важным шагом на пути к этому открытию стал его успех в производстве жидкого гелия, подвиг, который позволил ученым достичь более холодных экспериментальных условий, чем это было возможно раньше. Камерлинг-Оннес получил Нобелевскую премию по физике в 1913 году за свою работу с низкими температурами, которые привели к сжижению гелия.
Вольфганг Паули (1900-1958) — австрийский ученый Вольфганг Эрнст Паули внес значительный вклад в теоретическую физику двадцатого века, включая объяснение эффекта Зеемана, первое постулирование существования нейтрино и разработку того, что стало известный как принцип исключения Паули . Краеугольный камень современного понимания материи, принцип исключения принес Паули Нобелевскую премию по физике в 1945 году. Согласно этому принципу, никакие два электрона в атоме не могут иметь все четыре квантовых числа одновременно.
Эдвард Перселл (1912–1997) — Эдвард Миллс Перселл был американским физиком, получившим половину Нобелевской премии по физике 1952 года за разработку нового метода определения магнитных свойств атомных ядер. Известный как поглощение ядерного магнитного резонанса , метод возник в результате применения теории радаров к магнитным полям атомов и стал значительным шагом вперед по сравнению с методом обнаружения магнитного резонанса, разработанным ранее Исидором Раби.Феликс Блох, с которым Перселл разделил Нобелевскую премию, независимо сделал то же самое.
Исидор Исаак Раби (1898-1988) — Исидор Исаак Раби получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году за разработку метода измерения магнитных характеристик атомных ядер. Метод Рабиса был основан на принципе резонанса, впервые описанном ирландским физиком Джозефом Лармором, и позволил более точные измерения ядерных магнитных моментов, чем это было возможно ранее.Позже метод Рабиса был независимо усовершенствован физиками Эдвардом Перселлом и Феликсом Блохом, чьи работы по ядерному магнитному резонансу ( NMR ) принесли им Нобелевскую премию по физике 1952 года и заложили основы магнитно-резонансной томографии ( MRI ).
Генрих Рорер (1933-настоящее время) — Швейцарский физик Генрих Рорер совместно с Гердом Биннигом изобрел сканирующий туннельный микроскоп ( STM ), неоптический прибор, который позволяет наблюдать отдельные атомы в трех измерениях.Это достижение принесло паре половину Нобелевской премии по физике в 1986 году. Шведская королевская академия наук вручила вторую половину престижной награды Эрнсту Руска за изобретение электронного микроскопа. Тот факт, что STM было всего пять лет, когда Бинниг и Рорер получили Нобелевскую премию (Руска изобрел свое устройство еще в 1930-х годах), свидетельствует о новаторском характере изобретения и понимании научным сообществом его огромного значения.
Джон Роберт Шриффер (1931 г. — настоящее время) — Еще учась в аспирантуре, Джон Роберт Шриффер вместе с Джоном Бардином и Леоном Купером разработал теоретическое объяснение сверхпроводимости, получившее Нобелевскую премию по физике в 1972 году.Теория BCS (аббревиатура, образованная из первых букв фамилий его создателей) применима конкретно к низкотемпературным сверхпроводникам. Шриффер, однако, также принимал участие в исследованиях, направленных на разработку столь же успешной теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Джулиан Швингер (1918-1994) — Физик-теоретик Джулиан Швингер использовал математический процесс перенормировки , чтобы избавить квантовую теорию поля, разработанную Полем Дираком, от серьезных несоответствий с экспериментальными наблюдениями, которые почти побудили научное сообщество отказаться от нее.За это достижение, твердо установившее квантовую электродинамику ( QED ) как точный предсказатель взаимодействий заряженных частиц, Швингер получил Нобелевскую премию по физике в 1965 году. Физики Ричард Фейнман и Син-Итиро Томонага, которые аналогичным образом усовершенствовали теорию КЭД в примерно в то же время, что и Швингер, разделил с ним награду в том же году.
Клод Шеннон (1916-2001) — Клод Шеннон был математиком и инженером-электриком, чьи работы лежат в основе современной теории информации и помогли спровоцировать цифровую революцию.Он был первым, кто осознал, как булеву алгебру можно использовать с большим преимуществом в релейных схемах коммутаторов телефонной маршрутизации, проложив путь для ее использования во всех цифровых схемах и заложив основу для современных компьютеров и других электронных устройств. Шеннон также успешно применил математическую теорию к ряду других научных дисциплин, что привело к успехам в теории игр, искусственном интеллекте и теоретической генетике.
Уильям Шокли (1910-1989) — Уильям Брэдфорд Шокли был главой группы физиков твердого тела в Bell Labs, которая разработала первый точечный транзистор , за которым он быстро последовал изобретением более совершенного переходной транзистор .Он разделил Нобелевскую премию по физике 1956 года с Джоном Бардином и Уолтером Браттейном за его работу над этими проектами. Когда Шокли покинул Bell Labs, чтобы основать собственную компанию, он открыл магазин недалеко от Пало-Альто, Калифорния. Его исследования были сосредоточены на разработке полупроводниковых устройств на основе кремния, что сделало его первым, кто ввел кремний в область, известную теперь как Silicon Valley .
Вернер фон Сименс (1816-1892) — В 1866 году исследования Вернера фон Сименса привели к открытию им электрического принципа динамо , проложившего путь для крупномасштабного производства электроэнергии с помощью механических средств.Он сообщил об этом открытии в статье О преобразовании механической энергии в электрический ток без использования постоянных магнитов Берлинской академии наук в начале 1867 года. Хотя ученые из других стран разработали самовозбуждающий электрический генератор, или динамо-машину. примерно в то же время фон Сименс, кажется, первым по-настоящему осознал его значение для общества. Телеграфная компания, которой он совладельцем, Siemens & Halske, быстро начала коммерческое производство динамо-машин, за которым последовали кабели, электрическое освещение, телефоны и другие электрические устройства.Основанная им компания теперь называется конгломератом электроники Siemens AG.
Никола Тесла (1856-1943) — Награжденный более чем 100 патентами в течение своей жизни, Никола Тесла был человеком значительного гения и видения. Сообщается, что он родился ровно в полночь во время грозы — интригующее начало для человека, который однажды поможет осветить всю Америку изобретенными им системами электроснабжения переменного тока ( AC, ). В дополнение к своей системе переменного тока, которая обеспечивала более эффективную и безопасную передачу энергии на большие расстояния, чем системы постоянного тока ( DC ), предпочитаемые Томасом Эдисоном, Тесла первым изобрел радиотехнологию, экспериментировал с рентгеновскими лучами, изобрел первую лодку, управляемую дистанционно. , и был большим сторонником беспроводной связи.
Джозеф Джон Томсон (1856-1940) — Джозеф Джон Томсон, более известный как Дж. Дж. Томсон, был британским физиком, который первым теоретизировал и предложил экспериментальные доказательства того, что атом был делимым объектом, а не основной единицей материи, как это было раньше. широко распространено в то время. Серия экспериментов с катодными лучами, которые он провел в конце 19 века, привела к открытию им электрона , отрицательно заряженной атомной частицы с очень небольшой массой.Томсон получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году за свою работу по исследованию электропроводности различных газов.
Син-Итиро Томонага (1906-1979) — Японский физик-теоретик Син-Итиро Томонага решил ключевые проблемы с теорией квантовой электродинамики ( QED ), разработанной Полем Дираком в конце 1920-х годов, с помощью математической техники, которую он называется перенормировкой . Работа Томонагаса не изменила основной физический фундамент теории Дирака, описывающей отношения между электрически заряженными частицами и электромагнитным полем, а скорее усовершенствовала КЭД, чтобы привести ее в соответствие со специальной теорией относительности и показать, что теория согласуется количественно. с результатами, полученными экспериментально с большой степенью точности.В 1965 году Томонага получил часть Нобелевской премии по физике за свой вклад в квантовую электродинамику.
Алессандро Вольта (1745-1827) — Алессандро Вольта был итальянским ученым, чей скептицизм в отношении теории животного электричества Луиджи Гальваниса привел его к предположению, что электрический ток генерируется при контакте между различными металлами. Теоретическая и экспериментальная работа Вольта в этой области привела к созданию им первой батареи. Батарея Voltas, известная как Voltaic pile , впервые сделала доступным устойчивый источник электрического тока.Используя новаторский аппарат, ряд его современников, таких как Уильям Николсон и сэр Хэмфри Дэви, добились важных научных успехов в начале 19 века.
Джеймс Ватт (1736-1819) — Шотландский производитель и изобретатель инструментов Джеймс Ватт оказал огромное влияние на облик современного общества. Его усовершенствования парового двигателя стали важным фактором промышленной революции, и когда в конце девятнадцатого века двигатель Ватта был соединен с электрическим генератором Томаса Эдисона, производство электроэнергии в больших масштабах стало возможным впервые.Вскоре улицы Нью-Йорка и других городов осветились электрическими лампами.
Вильгельм Вебер (1804-1891) — Исследуя магнетизм с великим математиком и астрономом Карлом Фридрихом Гауссом в 1830-х годах, немецкий физик Вильгельм Вебер разработал и усовершенствовал множество устройств для точного обнаружения и измерения магнитных полей и электрических токов. Среди этих устройств был электродинамометр , который был способен измерять электрический ток, напряжение или мощность посредством взаимодействия магнитных полей двух катушек.Используя это устройство, Вебер экспериментально подтвердил закон силы Андре-Мари Ампреса. Вебер начал разработку подобной системы электрических единиц примерно в 1840 году после того, как Гаусс разработал систему магнитных единиц, выраженную в терминах длины, массы и времени, в начале 1830-х годов.
НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА
Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды.Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт поддерживается нашим
Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 13:18
Счетчик доступа со 2 марта 2009 г .: 41562
Долгий путь к уравнениям Максвелла
Иллюстрация: Лоренцо Петрантони
Если вы захотите отдать дань уважения великому физику Джеймсу Клерку Максвеллу, у вас не будет недостатка в местах, где это можно сделать.В лондонском Вестминстерском аббатстве, недалеко от могилы Исаака Ньютона, есть памятный знак. Великолепная статуя была недавно установлена в Эдинбурге, недалеко от места его рождения. Или вы можете отдать дань уважения в его последнем пристанище возле замка Дуглас на юго-западе Шотландии, недалеко от его любимого родового поместья. Они ставят памятники человеку, который разработал первую единую теорию физики, который показал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны.
Но эти вехи не отражают того факта, что на момент смерти Максвелла в 1879 году его электромагнитная теория, лежащая в основе столь значительной части нашего современного технологического мира, еще не имела твердой основы.
Необычайный объем информации о мире — основные правила поведения света, протекания тока и функций магнетизма — можно свести к четырем элегантным уравнениям. Сегодня они известны под общим названием уравнения Максвелла, и их можно найти практически в каждом вводном учебнике по инженерии и физике.
Можно утверждать, что эти уравнения появились 150 лет назад в этом месяце, когда Максвелл представил свою теорию объединения электричества и магнетизма Лондонскому королевскому обществу, опубликовав полный отчет в следующем году, в 1865 году.Именно эта работа заложила основу для всех последующих великих достижений в области физики, телекоммуникаций и электротехники.
Но между презентацией и использованием был большой разрыв. Математические и концептуальные основы теории Максвелла были настолько сложными и нелогичными, что его теорией в значительной степени пренебрегли после того, как она была впервые представлена.
Потребовалось почти 25 лет небольшой группе физиков, одержимых загадками электричества и магнетизма, чтобы поставить теорию Максвелла на прочную основу.Именно они собрали экспериментальные данные, необходимые для подтверждения того, что свет состоит из электромагнитных волн. И именно они придали его уравнениям их нынешнюю форму. Без титанических усилий этой группы «максвеллианцев», названной так историком Брюсом Дж. Хантом из Техасского университета в Остине, потребовались бы десятилетия, прежде чем наша современная концепция электричества и магнетизма получила широкое распространение. И это задержало бы всю последующую невероятную науку и технологии.
Сегодня мы узнаем на раннем этапе, что видимый свет — это всего лишь часть широкого электромагнитного спектра, излучение которого состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей. И мы узнаем, что электричество и магнетизм неразрывно связаны; изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, а ток и изменяющиеся электрические поля порождают магнитные поля.
Мы должны поблагодарить Максвелла за эти основные идеи. Но они не пришли ему в голову внезапно и ниоткуда.Доказательства, в которых он нуждался, поступали по частям в течение более чем 50 лет.
Часы можно было запустить в 1800 году, когда физик Алессандро Вольта сообщил об изобретении батареи, которая позволила экспериментаторам начать работу с непрерывным постоянным током. Примерно 20 лет спустя Ганс Кристиан Эрстед получил первое свидетельство связи между электричеством и магнетизмом, продемонстрировав, что стрелка компаса двигается, когда ее подносят близко к токоведущему проводу.Вскоре после этого Андре-Мари Ампер показал, что два параллельных токоведущих провода можно заставить проявлять взаимное притяжение или отталкивание в зависимости от относительного направления токов. К началу 1830-х годов Майкл Фарадей показал, что точно так же, как электричество может влиять на поведение магнита, магнит может влиять на электричество, когда он показал, что протягивание магнита через проволочную петлю может генерировать ток.
Эти наблюдения были частичным свидетельством поведения, которое никто не понимал систематически или всесторонне.Что такое электрический ток на самом деле? Как токоведущий провод тянулся и скручивал магнит? А как движущийся магнит создавал ток?
Большое семя было посеяно Фарадеем, который вообразил загадочное невидимое «электротоническое состояние», окружающее магнит — то, что мы сегодня назвали бы полем. Он утверждал, что именно изменения в этом электротоническом состоянии вызывают электромагнитные явления. И Фарадей выдвинул гипотезу о том, что свет сам по себе является электромагнитной волной. Но превратить эти идеи в законченную теорию было выше его математических способностей.Так было, когда на сцене появился Максвелл.
В 1850-х годах, после окончания Кембриджского университета в Англии, Максвелл попытался математически осмыслить наблюдения и теории Фарадея. В своей первоначальной попытке, в статье 1855 года под названием «О силовых линиях Фарадея» Максвелл разработал модель по аналогии, показав, что уравнения, описывающие течение несжимаемой жидкости, также могут использоваться для решения задач с неизменными электрическими или магнитными полями.
Его работу прервала шквала отвлекающих факторов. В 1856 году он устроился на работу в колледж Маришаль в Абердине, Шотландия; посвятил несколько лет математическому изучению устойчивости колец Сатурна; был уволен в результате слияния колледжей в 1860 году; он заболел оспой и чуть не умер, прежде чем, наконец, устроился на новую работу профессором Королевского колледжа Лондона.
Каким-то образом Максвелл нашел время конкретизировать теорию поля Фарадея. Хотя это еще не полная теория электромагнетизма, статья, которую он опубликовал в нескольких частях в 1861 и 1862 годах, оказалась важной ступенькой.
Опираясь на предыдущие идеи, Максвелл представил своего рода молекулярную среду, в которой магнитные поля представляют собой массивы вращающихся вихрей. Каждый из этих вихрей окружен маленькими частицами той или иной формы, которые помогают переносить спин от одного вихря к другому. Хотя позже он отложил это в сторону, Максвелл обнаружил, что это механическое видение помогает описать ряд электромагнитных явлений. Возможно, что наиболее важно, это заложило основу для новой физической концепции: тока смещения.
Смещение тока на самом деле не актуально.Это способ описания того, как изменение электрического поля, проходящего через определенную область, может вызвать магнитное поле, как это делает ток. В модели Максвелла ток смещения возникает, когда изменение электрического поля вызывает мгновенное изменение положения частиц в вихревой среде. Движение этих частиц порождает ток.
Одно из самых ярких проявлений тока смещения — это конденсатор, где в некоторых цепях энергия, запасенная между двумя пластинами в конденсаторе, колеблется между высокими и низкими значениями.В этой системе довольно легко представить себе, как будет работать механическая модель Максвелла. Если конденсатор содержит изолирующий диэлектрический материал, вы можете представить себе ток смещения как результат движения электронов, связанных с ядрами атомов. Они качаются из стороны в сторону, как если бы они были прикреплены к натянутым резиновым лентам. Но ток смещения Максвелла более фундаментален. Он может возникнуть в любой среде, включая космический вакуум, где нет электронов, способных создать ток.И точно так же, как настоящий ток, он порождает магнитное поле.
С добавлением этой концепции Максвелл получил основные элементы, необходимые для связи измеряемых свойств схемы с двумя, в настоящее время неиспользуемыми, константами, которые выражают, насколько легко электрические и магнитные поля образуются в ответ на напряжение или ток. (В настоящее время мы формулируем эти фундаментальные константы по-другому, как диэлектрическую проницаемость и проницаемость свободного пространства.)
Подобно тому, как жесткость пружины определяет, насколько быстро пружина отскакивает после ее растяжения или сжатия, эти постоянные можно комбинировать, чтобы определить, насколько быстро электромагнитная волна распространяется в свободном пространстве.После того, как другие определили их значения с помощью экспериментов с конденсаторами и катушками индуктивности, Максвелл смог оценить скорость электромагнитной волны в вакууме. Когда он сравнил это значение с существующими оценками скорости света, он пришел к выводу из их почти равенства, что свет должен быть электромагнитной волной.
Максвелл завершил последние ключевые части своей электромагнитной теории в 1864 году, когда ему было 33 года (хотя он сделал некоторые упрощения в более поздних работах). В своем выступлении 1864 года и в последующей статье он отказался от механической модели, но сохранил концепцию тока смещения.Сосредоточившись на математике, он описал, как электричество и магнетизм связаны и как, будучи правильно сгенерированными, они движутся вместе, создавая электромагнитную волну.
Эта работа является основой нашего современного понимания электромагнетизма, и она предоставляет физикам и инженерам все инструменты, необходимые для расчета взаимосвязей между зарядами, электрическими полями, токами и магнитными полями.
Но то, что должно было стать переворотом, на самом деле было встречено крайним скептицизмом даже со стороны ближайших коллег Максвелла.Одним из самых громких скептиков был сэр Уильям Томсон (впоследствии лорд Кельвин). Будучи в то время лидером британского научного сообщества, Томсон просто не верил, что может существовать такая вещь, как ток смещения.
Его возражение было естественным. Одно дело думать о токе смещения в диэлектрике, заполненном атомами. Совсем другое дело — представить, как он формируется в небытии вакуума. Без механической модели, описывающей эту среду, и без реальных движущихся электрических зарядов было неясно, что такое ток смещения и как он может возникнуть.Отсутствие физического механизма было неприятно многим физикам викторианской эпохи. Сегодня, конечно, мы готовы принять физические теории, такие как квантовая механика, которые бросают вызов нашей повседневной физической интуиции, если они математически точны и обладают большой предсказательной силой.
Современники Максвелла заметили и другие большие недостатки его теории. Например, Максвелл постулировал, что колеблющиеся электрическое и магнитное поля вместе образуют волны, но не описал, как они движутся в пространстве.Все волны, известные в то время, требовали среды для перемещения. Звуковые волны распространяются в воздухе и воде. Итак, если электромагнитные волны существуют, рассуждали физики того времени, должна быть среда, которая их переносит, даже если эту среду нельзя увидеть, попробовать или потрогать.
Максвелл тоже верил в такую среду, или эфир. Он ожидал, что он заполнил все пространство и что электромагнитное поведение было результатом напряжений, деформаций и движений в этом эфире. Но в 1865 году и в своем более позднем двухтомном трактате «Трактат об электричестве и магнетизме » Максвелл представил свои уравнения без какой-либо механической модели, чтобы обосновать, как и почему эти мистические электромагнитные волны могут распространяться.Многим его современникам из-за отсутствия модели теория Максвелла казалась до прискорбной неполной.
Пожалуй, самое главное, описание Максвеллом своей теории было потрясающе сложным. Студенты колледжа могут с ужасом встретить четыре уравнения Максвелла, но формулировка Максвелла была гораздо более запутанной. Чтобы писать уравнения экономично, нам нужна математика, которая еще не была полностью зрелой, когда Максвелл проводил свою работу. В частности, нам нужно векторное исчисление, способ компактной кодификации дифференциальных уравнений векторов в трех измерениях.
Теорию Максвелла сегодня можно описать четырьмя уравнениями. Но его формулировка приняла форму 20 одновременных уравнений с 20 переменными. Компоненты размерности его уравнений (направления x, y и z) должны были быть описаны отдельно. И он использовал некоторые противоречащие интуиции переменные. Сегодня мы привыкли думать и работать с электрическими и магнитными полями. Но Максвелл работал в первую очередь с другим видом поля, величиной, которую он назвал электромагнитным импульсом, на основе которой он затем вычислял электрические и магнитные поля, которые впервые представил Фарадей.Максвелл, возможно, выбрал это название для поля — сегодня известного как магнитный векторный потенциал — потому что его производная по времени дает электрическую силу. Но потенциал не приносит нам пользы, когда дело доходит до расчета множества простых электромагнитных поведений на границах, таких как отражение электромагнитных волн от проводящей поверхности.
Конечным результатом всей этой сложности является то, что, когда теория Максвелла дебютировала, почти никто не обратил на нее внимания.
Но несколько человек были. И одним из них был Оливер Хевисайд. Хевисайд, которого друг описал как «первоклассную диковинку», вырос в крайней бедности и частично глухой, никогда не учился в университете. Вместо этого он изучал передовые науки и математику.
Хевисайду было чуть за 20, и он работал телеграфистом в Ньюкасле, на северо-востоке Англии, когда он получил трактат Максвелла 1873 года № . «Я увидел, что это было великим, великим и величайшим», — писал он позже. «Я был полон решимости освоить книгу и принялся за работу.В следующем году он оставил работу и переехал к родителям, чтобы изучать Максвелла.
Именно Хевисайд, работая в основном в уединении, придал уравнениям Максвелла их нынешнюю форму. Летом 1884 года Хевисайд исследовал, как энергия перемещается с места на место в электрической цепи. Он задавался вопросом, переносится ли эта энергия током в проводе или в окружающем его электромагнитном поле?
Хевисайд в конечном итоге воспроизвел результат, который уже был опубликован другим британским физиком, Джоном Генри Пойнтингом.Но он продолжал двигаться дальше, и в процессе работы со сложным векторным исчислением он нашел способ переформулировать счет уравнений Максвелла в четыре, которые мы используем сегодня.
Ключом было устранение странного магнитного векторного потенциала Максвелла. «Я никогда не добивался никакого прогресса, пока не выбросил все возможности за борт», — сказал позже Хевисайд. Вместо этого в новой формулировке электрическое и магнитное поля располагались спереди и по центру.
Одним из следствий этой работы было то, что она раскрыла красивую симметрию уравнений Максвелла.Одно из четырех уравнений описывает, как изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле (открытие Фарадея), а другое описывает, как изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле (знаменитый ток смещения, добавленный Максвеллом).
Эта формулировка также раскрыла тайну. Электрические заряды, такие как электроны и ионы, имеют вокруг себя линии электрического поля, исходящие от заряда. Но здесь нет источника силовых линий магнитного поля: в нашей известной Вселенной силовые линии магнитного поля всегда представляют собой непрерывные петли без начала и конца.
Эта асимметрия обеспокоила Хевисайда, поэтому он добавил термин, представляющий магнитный «заряд», предполагая, что он просто еще не был обнаружен. И на самом деле это все еще не так. С тех пор физики провели обширные поиски таких магнитных зарядов, также называемых магнитными монополями. Но их так и не нашли.
Тем не менее, магнитный ток является полезным уловкой для решения электромагнитных проблем с некоторыми видами геометрии, такими как поведение излучения, проходящего через щель в проводящем листе.
Если Хевисайд модифицировал уравнения Максвелла до такой степени, почему бы нам не назвать их уравнениями Хевисайда? Хевисайд сам ответил на этот вопрос в 1893 году в предисловии к первому тому своей трехтомной публикации « Электромагнитная теория ». Он написал, что если у нас есть веские основания «полагать, что он [Максвелл] признал бы необходимость изменения, когда ему указали на это, то я думаю, что получившаяся модифицированная теория вполне может быть названа Максвелловской».
Математическая элегантность — это одно.Но найти экспериментальные доказательства теории Максвелла — это совсем другое. Когда Максвелл скончался в 1879 году в возрасте 48 лет, его теория все еще считалась неполной. Не было эмпирических доказательств того, что свет состоит из электромагнитных волн, за исключением того факта, что скорость видимого света и скорость электромагнитного излучения, казалось, совпадали. Кроме того, Максвелл специально не рассматривал многие из качеств, которыми должно обладать электромагнитное излучение, если оно составляет свет, а именно такие свойства, как отражение и преломление.
Физики Джордж Фрэнсис Фицджеральд и Оливер Лодж работали над укреплением связи со светом. Сторонники «Трактата » Максвелла 1873 года, пара познакомилась за год до смерти Максвелла на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Дублине, и они начали сотрудничать, в основном путем обмена письмами. Их переписка друг с другом и с Хевисайдом помогла продвинуть теоретическое понимание теории Максвелла.
Как описывает историк Хант в своей книге « Максвеллианцы», Лодж и Фитцджеральд также надеялись найти экспериментальные доказательства, подтверждающие идею о том, что свет — это электромагнитная волна.Но здесь у них не получилось. В конце 1870-х годов Лодж разработал некоторую схему, которая, как он надеялся, будет способна преобразовывать электричество более низкой частоты в свет более высокой частоты, но усилия провалились, когда Лодж и Фитцджеральд поняли, что их схемы будут создавать излучение слишком низкой частоты, чтобы его можно было обнаружить. глаз.
Почти десять лет спустя Лодж проводил эксперименты по защите от молний, когда заметил, что разряд конденсаторов вдоль проводов вызывает дуги. Из любопытства он изменил длину проводов и обнаружил, что может создавать впечатляющие искры.Он правильно сделал вывод, что это было действие электромагнитной волны в резонансе. Он обнаружил, что при достаточной мощности он действительно мог видеть ионизацию воздуха вокруг проводов, что является яркой иллюстрацией стоячей волны.
Теперь уверенный, что он генерирует и обнаруживает электромагнитные волны, Лодж планировал сообщить о своих поразительных результатах на собрании Британской ассоциации сразу после того, как он вернулся из отпуска в Альпах. Но, читая дневник в поезде из Ливерпуля, он обнаружил, что его вытащили.В июльском номере журнала Annalen der Physik за июль 1888 года он нашел статью под названием «Über elektrodynamische Wellen im Luftraum und deren Reflexion» («О электродинамических волнах в воздухе и их отражении»), написанную малоизвестным немецким исследователем Генрихом Герцем. .
Экспериментальная работа Герца по этому вопросу началась в Technische Hochschule (ныне Технологический институт Карлсруэ) в Карлсруэ, Германия, в 1886 году. Он заметил, что произошло нечто любопытное, когда он разрядил конденсатор через петлю из провода.В идентичной петле на небольшом расстоянии образовывались дуги на неподключенных терминалах. Герц обнаружил, что искры в неподключенном контуре были вызваны приемом электромагнитных волн, которые генерировались контуром с разряжающимся конденсатором.
Вдохновленный, Герц использовал искры в таких петлях для обнаружения невидимых радиоволн. Он продолжил проводить эксперименты, чтобы убедиться, что электромагнитные волны проявляют светоподобное поведение отражения, преломления, дифракции и поляризации.Он провел множество экспериментов как в открытом космосе, так и по проводам. Он слепил призму метровой длины из асфальта, прозрачного для радиоволн, и использовал ее, чтобы наблюдать относительно крупномасштабные примеры отражения и преломления. Он направил радиоволны на сетку параллельных проводов и показал, что они будут отражаться или проходить через сетку в зависимости от ее ориентации. Это продемонстрировало, что электромагнитные волны были поперечными: они колеблются, как и свет, в направлении, перпендикулярном направлению их распространения.Герц также отражал радиоволны от большого листа цинка, измеряя расстояние между нейтрализованными нулями в результирующих стоячих волнах, чтобы определить их длины волн.
С этими данными, а также с частотой излучения, которую он вычислил путем измерения емкости и индуктивности своей схемотехнической передающей антенны, Герц смог вычислить скорость его невидимых волн, которая была довольно близка к известной скорости для видимого света. .
Radio Magic: Генрих Герц использовал катушку (слева) и антенны (справа) для создания и обнаружения электромагнитного излучения за пределами видимого диапазона. Фото: Архив Технологического института Карлсруэ
Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. Герц показал, что, вероятно, существовала целая вселенная невидимых электромагнитных волн, которые ведут себя так же, как видимый свет, и движутся в пространстве с той же скоростью. Этого откровения было достаточно, чтобы многие согласились с тем, что свет сам по себе является электромагнитной волной.
РазочарованиеЛоджа по поводу того, что его обошли стороной, было более чем компенсировано красотой и полнотой работы Герца.Лодж и Фитцджеральд работали над популяризацией открытий Герца, представив их Британской ассоциации. Практически сразу же работа Герца стала основой для развития беспроводного телеграфирования. В самых ранних воплощениях технологии использовались передатчики, очень похожие на устройства с широкополосным искровым разрядником, которые использовал Герц.
В конце концов ученые пришли к выводу, что волны вообще не могут проходить ни через что. И концепция поля, сначала неприятная из-за отсутствия каких-либо механических частей, чтобы заставить его работать, стала центральной для большей части современной физики.
Впереди еще много всего. Но даже до конца XIX века, благодаря упорным усилиям нескольких преданных энтузиастов, наследие Максвелла было в безопасности.
Об авторе
Джеймс С. Раутио — основатель Sonnet Software.
Глава 3: Электромагнитное взаимодействие
Остин Коул, Жозефина Фабрициус и Андреа Лавиллес
Закон электростатики Шарля Огюстена де Кулона и Кулона
Шарль Огистен де Кулон родился 14 июня 1736 года.
богатая семья.Он вырос в Ангулеме, Франция, и особенно любил учиться.
математика. Он начал работать в бизнесе своего отца в Монпелье, но позже присоединился к
военное училище, что в конечном итоге привело к его участию в строительстве форта в
Мартиника, французская колония на Карибах. По возвращении во Францию Кулон обнаружил
обратная зависимость силы между электрическими зарядами и квадратом ее
расстояние. Это стало известно как закон Кулонов.Кулон умер в Париже 23 августа 1806 года.
Закон Кулона, или закон обратных квадратов Кулона, впервые опубликованный в 1785 году, стал ключом к
развитие теории электромагнетизма. Закон описывает электростатическое взаимодействие
между электрически заряженными частицами. В нем говорится, что величина электростатики
сила взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна скалярной величине
умножение величин зарядов и обратно пропорционально квадрату
расстояния между ними.2), где r
— расстояние между точечными зарядами, а ke — константа пропорциональности. Единица
измерение этой силы F — это кулон C, или заряд, переносимый постоянным током в один ток.
ампер за одну секунду. Это единица измерения электрического заряда в системе СИ.
Открытие Ганса Христиана Эрстеда и Эрстеда
Ганс Кристиан Эрстед родился в 1777 году на Рудкьобинге в Дании (NNDB). Он учился на
доктор философии в 1799 г. читал лекции по химии и натурфилософии.Эрстед
был первым, кто установил связь между электрическими токами и магнетизмом. В 1820 г.
Было опубликовано открытие, что при пропускании электрического тока по проводу создается магнитное поле.
Ученые и даже древние греки, естественно, знали о железных магнитах и магнитных камнях.
сделали магниты с железными сердечниками (Bellis). Именно Эрстед нашел альтернативный метод
магнетизм. Эрстед устроил демонстрацию для своих друзей и коллег, нагревая провод.
с помощью электрического тока, и у него также был под рукой компас для демонстрации магнетизма.Во время демонстрации электричества он заметил, что стрелка компаса двигается, когда электрическая
ток был включен и выключен. Игла не притягивалась и не отталкивалась проволокой, а вместо этого
стоял под прямым углом от него. Эрстед размышлял о своем открытии, но не опубликовал никаких
объяснение его выводов.
Открытие Эрстеда жизненно важно для современного общества, потому что оно показывает, что использование меняющихся
магнитное поле может генерировать электричество; и что электричество может генерировать магнитный
поле (Чем).Последствия этого открытия можно найти в аппаратах МРТ для двигателей.
Феликс Саварт
Феликс Савар родился 30 июня 1791 года в городе Мезьер, Франция. У его семьи была история
стать инженерами и служить в армии, но Савар выбрал другое
маршрут и выбрал вместо этого изучать медицину. Франция в этот момент наслаждалась победами
правление Наполеона, и после нескольких лет обучения Савар был призван стать хирургом
для армии.После нескольких поражений Наполеона Савар был уволен из армии и продолжил
его медицинское образование. Получив медицинское образование в Страсбурге, Саварт сосредоточился на
получение большего медицинского опыта и перевод книги «Медицина» Авла Корнелиуса Цельсия.
В Меце Саварт открыл медицинскую практику, но обнаружил, что уделяет больше времени физике, чем физике.
лечение пациентов. Затем он построил физическую лабораторию, в которой изучал звук и, в частности,
пробовал строить скрипки в соответствии с математическими принципами.В 1819 году Савар отправился в Париж, чтобы
найти издателя для его переведенной книги «Медицина», чтобы он мог поговорить с Био об акустике.
инструментов. Биот нашел открытия Савара интересными, а Савар даже создал и продемонстрировал
трапециевидная скрипка, обеспечивающая звук более высокого качества, чем обычная скрипка.
Когда прибыл Савар, Биот тоже изучал электричество, что привело к тому, что пара объединилась, когда
они слышали об открытии Ганса Христиана Эрстеда, что когда стрелка компаса, находящаяся рядом с проводом,
с током, проходящим через него, направленным под прямым углом к нему.Вместе они открыли для себя Biot-Savart.
закон: магнитные поля, создаваемые электрическими токами, можно рассчитать по закону. Они опубликовали
газета «Записка о магнетизме пиля де Вольта» 1820 года.
Савар начал преподавать естественные науки в частной школе в 1820 году, а затем был избран в Академию наук.
Наук и стал профессором экспериментальной физики. Савар опубликовал несколько работ о своем
экспериментирует со звуком, раскрывая некоторые научные данные о вибрации инструмента
и другие предметы, которые находятся поблизости.Он также создал диск Саварта.
который представлял собой вращающийся диск, который помогал определять тон инструмента путем сопоставления
тон. Частота легко определялась диском Савара. Он использовал свои технологии, чтобы помочь
изучайте гармоничные и диссонирующие звуки.
Савар скончался в Париже 16 марта 1841 года, за несколько месяцев до своего 50-летия.
Майкл Фарадей и Закон индукции Фарадея
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года. Он был английским химиком и физиком.
который внес важный вклад в науку, несмотря на отсутствие формального математического образования.Его исследования магнитных полей вокруг проводников, по которым проходят электрические токи постоянного тока, привели к
основы электромагнитного поля в физике, которые позже исследовал Джеймс Максвелл.
Фарадей установил, что магнетизм может влиять на лучи света, открыл принцип
электромагнитная индукция, диамагнетизм и законы электролиза, изобрели электромагнитный
вращающиеся устройства, которые легли в основу технологии электродвигателей, помогли производить электричество
пригоден для использования в технике, открыл бензол, исследовал клатратный гидрат
хлор, изобрел раннюю форму горелки Бунзена и систему степеней окисления, и
популярная терминология, такая как анод, катод, электрод и ион.
Закон индукции Фарадея является основным законом электромагнетизма, относящимся к принципы работы трансформаторов, индукторов и многих типов электродвигателей и генераторы. В нем говорится, что индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) в любой замкнутой цепи равна к скорости изменения магнитного потока через контур. Это относится только к закрытым схемы из тонкой проволоки. Единица емкости под названием фарад F была названа в честь Фарадея. Фарад — это заряд в кулонах, который конденсатор примет, чтобы потенциал на нем изменился на 1 вольт.
Джеймс Клерк Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Его отец был юристом и происходил из
зажиточная семья. Он вырос в сельской местности Шотландии как единственный ребенок. Мать Максвелла дала ему образование
первые несколько лет своей жизни, но она умерла от рака, когда Максвеллу было всего восемь лет.
Отец Максвелла нанял для него репетитора, чтобы он начал свое формальное образование. В 1841 году, спустя два года
репетиторство, отец Максвелла решил уволить наставника и отправить Джеймса в Эдинбургскую академию.Он должен был
начать со второго года обучения, что означает, что все в его классе были на год старше его. Максвелл был выбран
одноклассниками из-за его деревенских манер и акцента. Находясь в академии, Максвелл выиграл
получил награды по математике и английскому языку и написал свою первую научную статью Oval Curves. Документ был представлен
Королевское общество Эдинбурга. Максвеллу было всего четырнадцать, и он считался слишком молодым, чтобы представить
работа, поэтому ее вместо этого представил Джеймс Форбс, профессор Эдинбургского университета.
Максвелл закончил учебу в академии, когда ему было шестнадцать лет. Он продолжил образование в Эдинбургском университете. Во время учебы он самостоятельно провел множество экспериментов. используя оборудование, которое он сделал. Эти эксперименты в основном были сосредоточены на свойствах света. Максвелл написал еще две работы, пока он учился на бакалавриате, но его снова сочли слишком молодым, чтобы представлять свои собственные. После учебы в Эдинбургском университете Максвелл поступил в Кембриджский университет, чтобы получить степень магистра.Он учился там с 1851 года, пока не окончил в 1854 году диплом по математике. Максвелл решил подать заявку на стипендия, которая была предоставлена в конце 1855 года. Однако в следующем году Максвелл получил поддержку своего бывшего профессора Forbes подать заявку на вакантную должность в Marischal College. Максвелл был принят на позиции и покинул Кембридж в конце 1856 г.
Будучи профессором естественной философии в Маришале, Максвелл продолжил учебу в математика, оптика и физика.Он решил загадку того, как кольца Сатурна оставались стабильными, доказав, что математически, что они состоят из множества мелких частиц. Максвелл также встретил Кэтрин Дьюар, пока он жил в Маришале и женился на ней в 1859 году. В 1860 году Максвелл оставил Маришальский колледж и стал профессор Королевского колледжа в Лондоне. За время своего пребывания там Максвелл добился многих успехов в изучении электричество и магнетизм. Максвелл преподавал в Королевском колледже до 1865 года, когда он ушел в отставку и вернулся в дом, в котором он вырос.
Максвелл продолжал писать, пока не преподавал. В 1871 году Максвелл вернулся в Кембридж в качестве профессор физики. Джеймс Максвелл умер 5 ноября 1879 года от того же типа рака брюшной полости, что и его мать страдала от. Многие из его неопубликованных работ были напечатаны после его смерти в Кембридже. Университет.
Уравнения Максвелла>
В статье Джеймса Максвелла 1861 г., озаглавленной «О физических линиях силы», были использованы все современные знания
электричество и магнетизм и свел их в систему дифференциальных уравнений.Были
двадцать из этих уравнений и всего двадцать переменных. Максвелл использовал эти уравнения, чтобы
вычислить скорость распространения электромагнитного поля, которая приблизительно равна скорости
свет. Из этих расчетов Максвелл пришел к выводу, что свет — это электромагнитное возмущение.
и следует тем же законам.
Максвелл сократил свою систему уравнений до четырех уравнений в частных производных.
Есть два варианта уравнений Максвелла: микроскопическая и макроскопическая.Микроскопическая система, также известная как уравнения Максвелла в вакууме, использует полный заряд и
общий текущий присутствует. Макроскопическая система или уравнения Максвелла в веществе зависят только от
зависит только от бесплатного заряда и бесплатного тока. Кроме того, уравнения Максвелла можно записать
как в интегральной, так и в дифференциальной форме.
Первое из уравнений Максвелла также известно как закон Гаусса. Он описывает
взаимосвязь между электрическими зарядами и создаваемым ими электрическим полем.Второй
известный как закон Гаусса для магнетизма. Это уравнение описывает существование магнитных полей и
магнитный поток. Все магниты существуют в виде диполей, что означает, что у каждого магнита есть как северный, так и южный полюс.
Не бывает магнитных монополей, у которых есть только северный или южный полюс. Третий Максвелл
уравнения известны как закон Фарадея. В нем говорится, что изменяющееся магнитное поле может создавать
электрическое поле. Финал уравнения Максвелла — вариант закона Ампера.Это исправлено
уравнение описывает два способа создания магнитного поля. Один из способов — электрический
ток, а второй — изменяющимся электрическим полем.
Магнитная сила (зависимость от скорости)
Магнитная сила — это сила, которая действует на заряд, движущийся через магнитное поле. Этот движущийся заряд может принимать форму либо тока в проводе, либо заряженной частицы, движущейся с некоторой скоростью. Величина этой силы пропорциональна току и величине магнитного поля, и направление силы перпендикулярно как магнитному полю, так и направлению Текущий.Кроме того, магнитные поля могут создаваться движущимися зарядами. Это означает, что два текущих несущие провода, размещенные рядом, будут испытывать магнитную силу, вызванную магнитным полем противоположный провод. Важно отметить, что заряженный объект будет чувствовать магнитную силу только в том случае, если он движущийся.
Генрих Герц
Генрих Герц, немецкий физик, родился в 1857 году в Гамбурге. Его семья была довольно зажиточной, поэтому
у него был доступ к качественному образованию.Герц был особенно искусен в науке и технике. Он
учился во многих школах по всей Германии, получив докторскую степень в 1880 году в Берлинском университете. После
получив ученую степень, Герц прошел некоторое обучение в докторантуре и в конечном итоге стал профессором в
Университет Карлсруэ. Герц внес большой вклад в изучение теории электромагнетизма, расширив
идеи, выдвинутые Джеймсом Максвеллом. В 1886 году Герцу удалось доказать существование
электромагнитные волны.Он сделал это, установив передатчик радиоволн, который производил искру на
частота. Затем он использовал проволочный круг с очень маленьким зазором между концами в качестве приемника. В
электромагнитные волны, создаваемые передатчиком, создавали колебательный ток в петле провода, который
создавал искры в зазоре в ствольной коробке.