|||

3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ МАГНЕТИЗМА И ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Магнетизм был известен очень давно, более четырех тысяч лет до н.э. Уже тогда люди заметили, что природный минерал магнетит притягивает железные предметы. О магнетизме говорили древние греки. Греческий философ Фалес из Милета, живший в 640–546 годы до н.э. объяснял магнетизм особой одушевленностью, которую он приписывал магнетиту, известному нам как «магнитный железняк». Греческие философы считали, что магнетит и железо окутывают невидимые пары, которые влекут их друг к другу. Римские ученые упоминали в своих работах о том, что магниты могут притягиваться и отталкиваться, а также намагничивать металлические предметы. В Индии магниты применялись в медицинских целях.

 О магнетизме знали и в Древнем Китае. Первые упоминания о магните датируются 240 годом до н.э. Китайские исследователи тех времен, выяснили, что магнит притягивает железо, но не действует на медь и керамику. В VII веке они заметили, что намагниченная игла, которая подвешивается на нитке, всегда поворачивается к Полярной звезде. Поэтому именно там, в Китае, в XI веке на кораблях появились первые компасы, которые применялись в морских походах. Хотя, есть сведения, что мореплаватели использовали первые самые примитивные компасы, начиная уже примерно с 2500 лет до н.э.

 В Европе магнитные компасы появились в двенадцатом веке. В средние века изучению магнитных свойств посвятили свои труды Х. Колумб, М. Ломоносов, Р. Декарт, Ф. Эпинус, Ш. Кулон и многие другие ученые.

 В 1600 году физик и математик У. Гильберт обобщил знания человечества о магнитах в своем труде «О магните, магнитных телах и о большом магните Земле», где показал, что невозможно разделить два разноименных полюса магнита, а также то, что Земля является гигантским магнитом и имеет два магнитных полюса.

 В 1759 году физик, астроном и математик Ф. У. Т. Эпинус, основываясь на работах Б. Франклина и И. Ньютона, разработал теорию электрических и магнитных явлений, в которой подчеркнул их сходство. Он разработал методы намагничивания магнитных стрелок, выдвинул предположение, что Земля обладает магнитным ядром, рассчитал траектории движения магнитной стрелки в магнитном поле Земли.

 В 30-х годах XIX века физики и математики К. Гаусс и В. Вебер развили математическую теорию геомагнетизма и разработали методы магнитных измерений. Основываясь на результатах опытов датского физика Х. К. Эрстеда, исследовавшего электромагнетизм и установившего, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток», французский физик А.-М. Ампер пришел к выводу, что внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи.

 В это же время английский физик и химик М. Фарадей разработал первую теорию об электромагнитном поле. Поле, по М. Фарадею, — это область пространства, сплошь пронизанная силовыми линиями. Электромагнитное поле он определил как близкодействующее, в отличии от гравитационного поля, которое по И. Ньютону считалось дальнодействующим. Для магнитного поля он ввел понятие «силовых линий», которые всегда замкнуты. Именно М. Фарадей сумел заставить магниты генерировать электрический ток.

 М. Фарадей совершенно четко показал, что среда между двумя электрическими зарядами активно участвует в электромагнитных процессах. Он не признавал существования пустоты, так как считал, что мир полностью заполнен проницаемой материей. Сначала теоретические воззрения М. Фарадея не нашли многочисленных сторонников, ввиду того, что его рассуждения были построены не на математических расчетах, а на физической интуиции, на которой и строились его научные модели.

 Однако, затем, его работы легли в основу трудов британского физика и математика Д. К. Максвелла — создателя классической электродинамики и предсказателя электромагнитных волн. Д. К. Максвелл пришел к выводу, что магнетизм имеет вихревую природу, а электрический ток — поступательную. В соответствии с его моделью, магнитное поле производит молекулярные вихри, вращающееся в одну сторону. Магнитное поле, направленное вдоль оси вращения вихрей, перпендикулярно направлению тока. Д. К. Максвелл считал, что на силовые линии необходимо смотреть как на «натянутые веревки, показывающие направления, в которых среда испытывает напряжение».

 Главным итогом работы Д. К. Максвелла стала система уравнений, связывающая между собой электрические и магнитные явления, которую он опубликовал в 1873 году в «Трактате об электричестве и магнетизме». Д. К. Максвелл представил магнетизм как особый род взаимодействия между электрическими токами.

 В дальнейшем, при распространении квантовой физики магнетизмом занимались французский физик П. Ланжевен, создавший теорию диамагнетизма и квазиклассическую теорию парамагнетизма, русский физик А. Г. Столетов, французский физик П. Кюри, советский физик Л. Д. Ландау, открывший электронный диамагнетизм металлов, и многие другие известные ученые.

 Вместе с тем, стоит признать, что и квантовая физика ХХ века принесла теории магнетизма два главных момента — электромагнитное взаимодействие переносится фотонами и элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами.

 

 Электричество, как явление, так же имеет свою давнюю историю. Еще в VII веке до н.э. древнегреческий философ Фалес обнаружил способность янтаря притягивать легкие предметы. Для этого нужно было просто потереть его о шерстяную ткань. Это, вероятно, была первая встреча нашей цивилизации с электричеством. Сам же термин «электричество» стал употребляться с 1600 года после выхода в свет сочинений английского естествоиспытателя У. Гилберта «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле».

 Первая электростатическая машина появилась в Магдебурге в 1663 году и позволяла наблюдать не только притяжение предметов, но и их отталкивание. Интересно, что автором этой удивительной машины был сам бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. В дальнейшем электричеством занимались англичанин С. Грей, француз Ш. Дюфе, голландец Питер ван Мушенбрук.

 ХVII век ознаменовался бурным развитием взглядов на электричество.

 Первую теорию электричества в 1747 году создал широко известный всем нам американец Б. Франклин. Да, да, именно тот самый Б. Франклин, чей портрет вот уже более ста лет украшает стодолларовую купюру ФРС США. И по заслугам, потому что, выросший в бедной, но очень большой семье со своими шестнадцатью братьями и сестрами, не получивший образования, он все же сумел стать политическим деятелем, дипломатом, изобретателем, ученым и публицистом. Но он не являлся президентом США, как и первый министр финансов США А. Гамильтон, чей портрет изображен на банкноте в 10 долларов США. На всех остальных банкнотах изображены портреты наиболее известных президентов Соединенных Штатов Америки.

 К 1785 году работы российских физиков Г. Рихмана и Ф. Эпинуса, итальянского физика Д. Бернулли, шотландского исследователя Д. Рибисона и британского ученого Г. Кавендиша позволили Ш. Кулону сформулировать закон, который описывал силы взаимодействия между неподвижными точечными зарядами.

 Исследования электричества привели в 1791 году к знаменитому открытию итальянским физиком Л. Гальвани наличия электрического тока в мышцах животных. В 1800 году итальянский ученый граф А. Вольта создал первый в мире химический источник непрерывного электрического тока. С начала девятнадцатого века ученые всего мира продолжили активные исследования электричества и магнетизма.

 1820 год ознаменовался новым открытием. Опыты Г. Эрстеда с магнитной стрелкой и металлическим проводником, по которому пропускался электрический ток, показали прямую зависимость изменения направления магнитной стрелки от направления движения электрического тока. При этом, стрелка располагалась перпендикулярно проводнику с током. При изменении направления движения электрического тока по проводнику, стрелка компаса меняла свое положение на 180 градусов. Это стало основой для совместного рассмотрения действия магнитных и электрических сил и объединения их в электромагнитное взаимодействие.

 Несколько позже известные физики и математики А. Ампер, Д. Джоуль, Г. Ом, Э. Ленц и К. Гаусс сформулировали ряд законов и теорем, определили математические зависимости между показателями электрического тока и установили взаимосвязь магнетизма и электричества.

 Опираясь на исследования этих великих ученых, М. Фарадей в 1831 году открыл явление электромагнитной индукции, ввел понятие электрического и магнитного полей, а затем создал первый в мире электрический двигатель. Огромной заслугой М. Фарадея явилось предположение, что носителями электрических сил являются мельчайшие частицы материи, что в 1897 году подтвердил Д. Томпсон, который открыл материальный носитель электричества — электрон.

 В 1873 году английский физик Д. Максвелл разработал теорию электромагнитных явлений, в которой представил уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля. В ходе экспериментов в 1888 году уникальный немецкий физик Г. Герц доказал существование электромагнитных волн и на основе этого разработал теорию света с объяснением явлений интерференции, дифракции и отражения. К глубокому сожалению, этот светлый ум нашей цивилизации прожил всего 36 лет. Но Г. Герц все же успел оставить после себя огромное научное наследие.

 К концу ХIХ века усилиями М. Фарадея, Д. Максвелла и Х. Лоренца были заложены основы электродинамики, как науки изучающей электромагнитное поле и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд, т.е. электромагнитное взаимодействие. Электродинамика описывала основные объекты и величины электромагнитного взаимодействия, такие как электрический заряд, электрическое и магнитное поле, электрический ток и т.д.

 Вместе с тем, электродинамика заняла лишь констатирующую позицию и могла ответить на вопрос: «Что будет, если…?», но она не отвечала на вопрос: «Почему это происходит?». К примеру, электродинамика констатировала, что электрические заряды могут быть положительные, отрицательные или же нейтральные. При этом, одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются.

 

 Но вопросы: «Почему они притягиваются или отталкиваются? Почему они различаются по знаку заряда? Каким образом возникает электрическое или магнитное поле? Что представляют собой магнитные и электрические поля? Каков механизм электромагнитного взаимодействия?», так и остались без ответа. Просто наличие в природе разных электрических зарядов и различных полей были приняты, как факт, как некая данность без объяснения их физической сущности.

 

 Время шло и научное сообщество с нетерпением ожидало ответы на эти вопросы. В середине ХХ века в развитие квантовой механики была создана квантовая электродинамика, с помощью которой исследователи предполагали найти ответы на эти и многие другие вопросы. В соответствии со взглядами ученых, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц в квантовой электродинамике осуществляется через электромагнитное поле и переносится фотонами. Фотоны возбуждают электромагнитное поле и оно якобы позволяет удерживать или отталкивать электрические заряды. Вот такое не хитрое и не убедительное объяснение, не позволяющее исчерпывающе ответить на все тот же вопрос — «Почему...?».

 Вопросов при рассмотрении магнетизма, электричества и электромагнитного взаимодействия возникало и возникает великое множество. А ответов, к великому сожалению, — нет до сих пор. Чувствую, что нам предстоит немало поработать, чтобы растащить эти завалы современной физики, которая при наличии этих вопросов, не имеющих пока ясных и обоснованных ответов, выглядит не очень современно.

 Вместе с тем, рассматривать магнитное и электрическое взаимодействие, а также магнитные и электрические поля отдельно одно без другого достаточно сложно. Поэтому предлагается совместить рассмотрение магнетизма и электричества в одной главе. Ну, а начнем мы, как водится, с малого — с частиц.

 

 Вот, наверное, и все те основные знания, которыми мы будем руководствоваться в нашей экспедиции, направленной в глубь элементарных частиц, физических тел, магнитов, звезд и планет. Итак, в путь!