Электромагнитное поле — Википедия

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции)

[~ 1], а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)^{[~ 2]}. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до начала XIX в. считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым калибровочным полем).

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое^{[~ 3]} абелево^{[~ 4]}векторное^{[~ 5]}калибровочное^{[~ 6]} поле. Его калибровочная группа — группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле — единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия — предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой — квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач — очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) — безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определённой частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено её отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Безопасность электромагнитных полей[править | править код]

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека

[1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны.

1. ↑ Для вакуума, для которого формулируются фундаментальные уравнения, напряжённость магнитного поля и магнитная индукция — по сути одно и то же, хотя в некоторых системах единиц (в том числе в СИ) могут отличаться постоянным множителем и даже единицами измерения.
2. ↑ Подразумевается распространение со слабым убыванием по интенсивности; в вакууме подразумевается убывание с расстоянием от источника медленнее, чем убывание статического (кулоновского) поля; плоская электромагнитная волна — пока приближение плоской волны верно и в пренебрежении поглощением (или в идеальном вакууме) — вообще не убывает по амплитуде, сферическая — убывает медленнее, чем соответственно напряженность или потенциал в законе Кулона.
3. ↑ Параметр m (масса) в уравнении Клейна-Гордона для электромагнитного поля равен нулю (иначе говоря, это означает, что электромагнитный потенциал подчиняется — в определённой калибровке — просто волновому уравнению. С этим связан факт, что фотон (в вакууме) нельзя — как и любую безмассовую частицу — остановить, он всегда движется с одной и той же скоростью — скоростью света.
4. ↑ В наиболее простой интерпретации это означает, что электромагнитное поле непосредственно не взаимодействует само с собой, то есть что электромагнитное не имеет электрического заряда. Фотон не может сам непосредственно излучить или поглотить другой фотон.
5. ↑ При применении терминов в узком смысле калибровочными считаются только векторные поля; но мы, во всяком случае, обозначим здесь векторный характер электромагнитного поля явно.
6. ↑ Калибровочным электромагнитное поле является при рассмотрении его во взаимодействии с электрически заряженными частицами; понятие калибровочного поля всегда подразумевает подобное взаимодействие (подобное в каком-то смысле; конкретный способ взаимодействия может заметно отличаться).

1. ↑ Ю. А. Холодов. Мозг в электромагнитных полях. — М.: Наука, 1982. — P. 123. — (Человек и окружающая среда).

определение, история открытия и применение

В данной статье вы узнаете что такое электромагнетизм, электромагнитное поле и электромагнитные волны.

Определение и история открытия

Электромагнетизм — это раздел физики, который занимается электричеством, магнетизмом и взаимодействием между ними. Впервые он был открыт в 19 веке и широко применяется в современном мире физики.

Электромагнетизм — это в основном наука об электромагнитных полях. Электромагнитное поле — это поле, создаваемое электрически заряженными объектами. Радиоволны, инфракрасные волны, ультрафиолетовые волны и рентгеновские лучи — это электромагнитные поля в определенном диапазоне частот. Электричество производится путем изменения магнитного поля. Это явление также называют «электромагнитной индукцией». Точно так же магнитное поле создается движением электрических зарядов.

Основной закон электромагнетизма известен как «закон индукции Фарадея». Феномен электромагнетизма был открыт в 19 веке, и это привело к открытию «специальной теории относительности» Альберта Эйнштейна. Согласно его теории, электрические и магнитные поля могли быть преобразованы друг в друга с относительным движением. Это явление и его применение были открыты благодаря многочисленным вкладам великих ученых и физиков, таких как Майкл Фарадей, Джеймс Клерк Максвелл, Оливер Хевисайд и Генрих Герц. В 1802 году итальянский ученый продемонстрировал связь между электричеством и магнетизмом, отклонив магнитную стрелку с помощью электростатических зарядов.

Электромагнетизм — это в основном гипотеза комбинированного выражения основной силы, известной как «электромагнитная сила». Эту силу можно увидеть, когда электрический заряд движется. Это движение производит магнетизм. Эта идея была представлена ​​Джеймсом Клерком Максвеллом, который опубликовал теорию электричества и магнетизма в 1865 году. На основе этой теории многие ученые совершили множество открытий и других эффектов. Электромагнетизм распространился и на область квантовой физики, где свет распространяется как волна и взаимодействует как частица.

Было доказано, что электричество может вызвать магнетизм и наоборот. Очень простой пример — это электрический трансформатор. Обмены происходят внутри трансформатора, который вызывает электромагнитные волны . Еще один факт, касающийся этих волн, заключается в том, что им не нужна среда для распространения, хотя их скорость относительно медленнее при путешествии через прозрачные вещества.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны были впервые обнаружены Джеймсом Клерком Максвеллом, и они были подтверждены впоследствии Генрихом Герцем. Впоследствии Максвелл получил волновую форму электрических и магнитных уравнений, которая показала, что электрические и магнитные поля имеют волнообразную природу. Факторами, которые отличают электромагнитные волны друг от друга, являются частота, амплитуда и поляризация. Например, лазерный луч когерентен, а излучение имеет только одну частоту. Существуют и другие типы волн, различающихся по частоте, такие как радиоволны, которые находятся на очень низких частотах, гамма-лучи и рентгеновские лучи очень высокой частоты. Электромагнитные волны могут распространяться на очень большие расстояния, и на них не влияют никакие препятствия, будь то огромные стены или башни.

Это особое взаимодействие электричества и магнетизма привело к большим достижениям в современной науке и технике, и предпринимаются усилия, чтобы узнать больше об электромагнетизме и его применениях. Другими силами являются гравитационные силы, сильные и слабые силы. Электромагнетизм также сочетается со слабой силой, известной как «электрослабая сила».

Применение электромагнетизма

Электромагнетизм имеет множество применений в современном мире науки и физики. Самым основным применением электромагнетизма является использование двигателей. Двигатель имеет переключатель, который непрерывно переключает полярность снаружи двигателя. Электромагнит делает то же самое. Мы можем изменить направление, просто изменив направление тока. Внутри двигателя есть электромагнит, но ток регулируется таким образом, что внешний магнит отталкивает его.

Еще одно очень полезное применение электромагнетизма — «машина сканирования CAT». Эта машина обычно используется в больницах для диагностики заболеваний. Поскольку мы знаем, что в нашем теле присутствует ток, и чем он сильнее, тем сильнее магнитное поле. Эта технология сканирования способна улавливать магнитные поля, и ее легко можно идентифицировать, если внутри тела присутствует большое количество электрической активности.

Работа человеческого мозга основана на электромагнетизме. Электрические импульсы вызывают операции внутри мозга, и у него есть некоторое магнитное поле. Когда два магнитных поля пересекаются друг с другом внутри мозга, возникает помеха, которая вредна для мозга.

Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле: matveychev_oleg — LiveJournal

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. Он расскажет очередную вечернюю сказку об электричестве.

— 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».

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 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 и рождение физики поля

Юлий Львович Менцин
«Квант» №1, 2012

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) — английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле — это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях»¹ Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея — грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет². Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея — одна из величайших книг в истории физики — написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) — обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907).³ Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла — о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений — прежде всего, явлений электромагнетизма — на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, — писал Максвелл, — что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл — третий ребенок в семье — не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую — через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий — вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия — это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений — не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, — пишет Фарадей, — устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее — скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, — писал Фарадей, — можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d. Свободный контакт сделан и в точке c, так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab’c’d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма — это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу… Может быть, это — состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это — род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история — история о Великом Теоретике.

---

¹ Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред.)
² В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй — в 1951, а третий — в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред.)
³ В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.

Электромагнитное поле — это… Что такое Электромагнитное поле?

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.

В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции)^{[~ 1]}, а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом отношении ещё более важным.

Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца.

Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше.

Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)^{[~ 2]}. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

История открытия

До начала XIX в. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819 г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света, полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним из проявлений электромагнитных волн.

Теория Максвелла уже при своем возникновении разрешила ряд принципиальных проблем электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и эффективную математическую основу описанию электромагнитных явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его теории — предсказание существования электромагнитных волн — не получило прямых экспериментальных подтверждений.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических теорий, существующих на сегодняшний день.

Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым калибровочным полем).

Классификация

Электромагнитное поле с современной точки зрения есть безмассовое^{[~ 3]} абелево^{[~ 4]}векторное^{[~ 5]}калибровочное^{[~ 6]} поле. Его калибровочная группа — группа U(1).

Среди известных (не гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле — единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному полю, за исключением, быть может, констант.

Физические свойства

Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного взаимодействия — предмет изучения электродинамики, с классической точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с квантовой — квантовой электродинамикой. В принципе, первая является приближением второй, заметно более простым, но для многих задач — очень и очень хорошим.

В рамках квантовой электродинамики электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое возбуждение электромагнитного поля) — безмассовый векторный бозон. Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая, что соседние по энергии стационарные состояния свободного электромагнитного поля с определенной частотой и волновым вектором различаются на один фотон).

Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов дальнодействующих фундаментальных взаимодействий, а электромагнитное поле — одно из фундаментальных полей.

Существует теория (входящая в Стандартную модель), объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое. Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна). Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания обычных теорий электромагнетизма и гравитации, как и теоретических преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность. Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных теориях: даже лучшие из них по меньшей мере недостаточно разработаны, чтобы считаться вполне успешными.

Безопасность электромагнитных полей

В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧ-печи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве (оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на человека^[1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для рабочих мест и санитарно-селитебной зоны.

Контроль за уровнями ЭМП возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на предприятиях — на службу охраны труда.

Предельно-допустимые уровни ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны^[2].

См. также

Примечания

1. ↑ Для вакуума, для которого формулируются фундаментальные уравнения, напряжённость магнитного поля и магнитная индукция — по сути одно и то же, хотя в некоторых системах единиц (в том числе в СИ) могут отличаться постоянным множителем и даже единицами измерения.
2. ↑ Подразумевается распространение со слабым убыванием по интенсивности; в вакууме подразумевается убывание с расстоянием от источника медленнее, чем убывание статического (кулоновского) поля; плоская электромагнитная волна — пока приближение плоской волны верно и в пренебрежении поглощением (или в идеальном вакууме) — вообще не убывает по амплитуде, сферическая — убывает медленнее, чем соответственно напряженность или потенциал в законе Кулона.
3. ↑ Параметр m (масса) в уравнении Клейна-Гордона для электромагнитного поля равен нулю (иначе говоря, это означает, что электромагнитный потенциал подчиняется — в определённой калибровке — просто волновому уравнению. С этим связан факт, что фотон (в вакууме) нельзя — как и любую безмассовую частицу — остановить (а также разогнать или замедлить), он всегда движется с одной и той же скоростью — скоростью света.
4. ↑ В наиболее простой интерпретации это означает, что электромагнитное поле непосредственно не взаимодействует само с собой, то есть что электромагнитное не имеет электрического заряда. Фотон не может сам непосредственно излучить или поглотить другой фотон.
5. ↑ При применении терминов в узком смысле калибровочными считаются только векторные поля; но мы, во всяком случае, обозначим здесь векторный характер электромагнитного поля явно.
6. ↑ Калибровочным электромагнитное поле является при рассмотрении его во взаимодействии с электрически заряженными частицами; понятие калибровочного поля всегда подразумевает подобное взаимодействие (подобное в каком-то смысле; конкретный способ взаимодействия может заметно отличаться).

Литература

Ссылки

1. ↑ Ю. А. Холодов Мозг в электромагнитных полях. — М.: Наука, 1982. — P. 123. — (Человек и окружающая среда).
2. ↑ Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10-60 КГц (утв. Минздравом СССР 31.07.1991 № 5803-91), по состоянию на 12 октября 2006 года.

Сказка о том, как открыли Майкла Фарадея, который открыл электромагнитное поле

Ник. Горькавый
«Наука и жизнь» №6, 2017

Другие научные сказки Ник. Горькавого см. в «Науке и жизни» №11, 2010, №12, 2010, №1, 2011, №2, 2011, №3, 2011, №4, 2011, №5, 2011, №6, 2011, №9, 2011, №11, 2011, №6, 2012, №7, 2012, №8, 2012, №9, 2012, №10, 2012, №12, 2012, №1, 2013, №11, 2013, №1, 2014, №2, 2014, №3, 2014, №7, 2014, №8, 2014, №10, 2014, №12, 2014, №1, 2015, №4, 2015, №5, 2015, №6, 2015, №7, 2015, №9, 2015, №1, 2016, №2, 2016, №3, 2016, №6, 2016, №8, 2016, № 11, 2016, № 2, 2017, № 4, 2017.

Журнальный вариант одной из научных сказок из новой книги Ник. Горькавого «Электрический дракон», которая вышла в свет в издательстве «АСТ» в начале этого года.

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. Он расскажет очередную вечернюю сказку об электричестве.

— 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. «Науку и жизнь» № 4, 2017. — 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. «Науку и жизнь» № 4, 2017, 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 вольтметр, 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.

История открытия электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн — замечательный пример взаимодействия эксперимента и теории. На нем видно, как физика объединила, казалось бы, абсолютно разнородные свойства — электричество и магнетизм, — обнаружив в них различные стороны одного и того же физического явления — электромагнитного взаимодействия. На сегодня это одно из четырех известных фундаментальных физических взаимодействий, к числу которых также относятся сильное и слабое ядерные взаимодействия и гравитация. Уже построена теория электрослабого взаимодействия, которая с единых позиций описывает электромагнитные и слабые ядерные силы. Имеется и следующая объединяющая теория — квантовая хромодинамика — которая охватывает электрослабое и сильное взаимодействия, но ее точность несколько ниже. Описать все фундаментальные взаимодействия с единых позиций пока не удается, хотя в этом направлении ведутся интенсивные исследования в рамках таких направлений физики, как теория струн и квантовая гравитация.

Электромагнитные волны были предсказаны теоретически великим английским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом (вероятно, впервые в 1862 году в работе «О физических силовых линиях», хотя подробное описание теории вышло в 1867 году). Он прилежно и с огромным уважением пытался перевести на строгий математический язык немного наивные картинки Майкла Фарадея, описывающие электрические и магнитные явления, а также результаты других ученых. Упорядочив одинаковым образом все электрические и магнитные явления, Максвелл обнаружил ряд противоречий и отсутствие симметрии. Согласно закону Фарадея переменные магнитные поля порождают электрические поля. Но не было известно, порождают ли переменные электрические поля — магнитные. Избавиться от противоречия и восстановить симметрию электрического и магнитного полей Максвеллу удалось, введя в уравнения дополнительный член, который описывал возникновение магнитного поля при изменении электрического. К тому времени благодаря опытам Эрстеда уже было известно, что постоянный ток создает вокруг проводника постоянное магнитное поле. Новый член описывал другой источник магнитного поля, но его можно было представить как некий воображаемый электрический ток, который Максвелл назвал током смещения, чтобы отличить от обычного тока в проводниках и электролитах — тока проводимости. В итоге получилось, что переменные магнитные поля порождают электрические поля, а переменные электрические — магнитные. И тогда Максвелл понял, что в такой связке колеблющиеся электрическое и магнитное поля могут отрываться от порождающих их проводников и двигаться через вакуум с определенной, но очень большой скоростью. Он вычислил эту скорость, и она оказалась около трехсот тысяч километров в секунду.

Потрясенный полученным результатом, Максвелл пишет Уильяму Томсону (лорду Кельвину, который, в частности, ввел абсолютную шкалу температур): «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». И далее в письме: «Я получил свои уравнения, живя в провинции и не подозревая о близости найденной мной скорости распространения магнитных эффектов к скорости света, поэтому я думаю, что у меня есть все основания считать магнитную и светоносную среды как одну и ту же среду…»

Уравнения Максвелла далеко выходят за рамки школьного курса физики, но они так красивы и лаконичны, что их стоит разместить на видном месте в кабинете физики, ведь большинство значимых для человека явлений природы удается описать с помощью всего нескольких строчек этих уравнений. Так сжимается информация, когда объединяются ранее разнородные факты. Вот один из видов уравнений Максвелла в дифференциальном представлении. Полюбуйтесь.

∇E = 4πρ	Закон Кулона
∇B = 0&	магнитные заряды не существуют в природе
[∇E] = –1/c(δB/δt)	закон Фарадея
[∇B] = (4π/c)j + (1/c)(δE/δt)	Закон Ампера, с током смещения Максвелла (второй член правой части)
F = q(E+ [(v/c)×B])	Сила Лоренца

Хочется подчеркнуть, что из расчетов Максвелла получалось обескураживающее следствие: колебания электрического и магнитного полей — поперечные (что он сам все время подчеркивал). А поперечные колебания распространяются только в твердых телах, но не в жидкостях и газах. К тому времени было надежно измерено, что скорость поперечных колебаний в твердых телах (попросту скорость звука) тем выше, чем, грубо говоря, тверже среда (чем больше модуль Юнга и меньше плотность) и может достигать нескольких километров в секунду. Скорость поперечной электромагнитной волны была почти в сто тысяч раз выше, чем скорость звука в твердых телах. А надо заметить, что характеристика жесткости входит в уравнение скорости звука в твердом теле под корнем. Получалось, что среда, через которую идут электромагнитные волны (и свет), имеет чудовищные характеристики упругости. Возник крайне тяжелый вопрос: «Как же через такую твердую среду движутся другие тела и не чувствуют ее?» Гипотетическую среду назвали — эфиром, приписав ему одновременно странные и, вообще говоря, взаимоисключающие свойства — огромную упругость и необычайную легкость.

Работы Максвелла вызвали шок среди ученых-современников. Сам Фарадей с удивлением писал: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом удивился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо». Несмотря на то, что взгляды Максвелла опрокидывали все известные на то время представления о распространении поперечных волн и о волнах вообще, прозорливые ученые понимали, что совпадение скорости света и электромагнитных волн — фундаментальный результат, который говорит, что именно здесь физику ожидает основной прорыв.

К сожалению, Максвелл умер рано и не дожил до надежного экспериментального подтверждения своих расчетов. Международное научное мнение изменилось в результате опытов Генриха Герца, который через 20 лет (1886–89) в серии экспериментов продемонстрировал генерацию и прием электромагнитных волн. Герц не только в тиши лаборатории получил правильный результат, но страстно и бескомпромиссно защищал взгляды Максвелла. Причем он не ограничился экспериментальным доказательством существование электромагнитных волн, но и исследовал их основные свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах, дифракцию, интерференцию и т. д.), показав полную тождественность электромагнитных волн со светом.

Любопытно, что за семь лет до Герца, в 1879 году английский физик Дэвид Эдвард Юз (Хьюз — D. E. Hughes) тоже продемонстрировал перед другими крупными учеными (среди них был также блестящий физик и математик Георг-Габриель Стокс) эффект распространения электромагнитных волн в воздухе. В результате обсуждений ученые пришли к выводу, что видят явление электромагнитной индукции Фарадея. Юз расстроился, не поверил самому себе и опубликовал результаты лишь в 1899 году, когда теория Максвелла-Герца стала общепринятой. Этот пример говорит, что в науке настойчивое распространение и пропаганда полученных результатов имеет часто не меньшее значение, чем сам научный результат.

Генрих Герц так подытожил результаты своих экспериментов: «Описанные эксперименты, как, по крайне мере, кажется мне, устраняют сомнения в тождественности света, теплового излучения и электродинамического волнового движения».

Далее: Великое объединение