Теория электромагнитного поля.

До начала 19 в. магнетизм и электричество рассматривались отдельно.

Магнетизм:

· Впервые на магниты обратили внимание в 5 в. до н.э. (Турция, р-н г. Магнесия: обнаружены камни, которые в подвешенном состоянии сохраняли неизменную ориентацию, т.е. вели себя как стрелки компасов).

· Изучение св-в магнитов началось в Средние века. В 1600 г. экспериментально доказано, что Земля – большой магнит.

Электричество:

· Электрическую природу молнии открыл Бенджамин Франклин (середина 18 в.), он же изобрел практическое устройство для защиты от небесного электричества – громоотвод.

Уже тогда знали, что электричество – опасный вид энергии, оно невидимо для человека, поэтому все работы с электричеством должны проводиться с соблюдением правил ТБ.

· Первые конденсаторы (система двух проводников, заряженных равными по величине разноименными зарядами) – «Лейденские банки» - были изобретены в 1745 г.

Это изобретение было не только научным открытием, но и популярным способом развлечения: на ярмарках люди выстраивались длинной очередью, брались за руки, и лейденская банка разряжалась через их тела. Ток шел через две руки, поражая легкие и сердце (это один из самых худших путей распространения тока в организме – больший вред приносит только протекание тока через ноги и голову). В 18 веке такое воздействие нравилось, будоражило нервы, а последствия, естественно, были негативными.

· В 1786 г. было установлено, что живые организмы имеют собственное электричество.

Луиджи Гальвани заметил, что отрезанная лапка лягушки дергается в случае одновременного контакта с железной поверхностью и медными зажимами. Современные врачи-реаниматологи используют этот эффект, открытый итальянским ученым. Электрический разряд в области сердца может вернуть человека к жизни. В целом список используемых электрических воздействий на человеческий организм достаточно велик, и любой кабинет физиотерапии дает наглядное тому подтверждение.

· В начале 19 в. была изобретена электрическая батарея (т.е. гальванический элемент). Между серебряными и медными монетами проложили ткань, пропитанную раствором соли – это был источник постоянного тока, действующий достаточно долго (в отличие от конденсатора, батарея разряжалась медленно, а не мгновенно).

К началу 19 в. было накоплено много знаний об электричестве, но до создания теории электричества было еще далеко.

В 1820 г. была установлена связь между электричеством и магнетизмом.

Датский физик Кристиан Эрстед, работая с электричеством и магнетизмом, заметил, что в момент протекания тока через проводник стрелка компаса отклоняется. Так была установлена связь между электрическим током и магнитным полем.

Это открытие не только дало новое знание о свойствах природы, но и предоставило возможность измерять электричество с помощью отклоняющейся магнитной стрелки.

До этого физики проверяли степень заряженности «на глаз» - по реакции руки, получившей электрический разряд (болезненное и опасное занятие).

Теперь стали возможными количественные исследования электричества, а следовательно стало возможно вывести математические закономерности и создать общую теорию.

· Далее начался период многочисленных открытий (электромагнит и др.), которые были объединены в единую теорию гениальным ученым-самоучкой Майклом Фарадеем (был практически единственным физиком, не знающим математики). Он ввел в физику новые представления об электрическом и магнитном полях.

На основе экспериментов и теоретических разработок Фарадея были созданы такие неотъемлемые устройства нашей жизни, как электромотор, генератор электрического тока и трансформатор.

В своих работах Фарадей не использовал математических формул, что создавало определенные трудности для дальнейшего развития теории электричества.

· Максвелл под влиянием трудов Фарадея разработал теорию электромагнитного поля – перевел труды Фарадея на язык математики (вывел 12 уравнений).

Основные положения теории (изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» вышедшей в 1864 г.):

Ø Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его.

Ø Изменение электрического поля ведет к появлению магнитного поля и наоборот.

Ø Передача энергии происходит с конечной скоростью, равной скорости света → следовательно свет – это электромагнитные волны.

· Герц свел 12 уравнений Максвелла к 4-м уравнениям электродинамики, которые описывали электромагнитные явления в любой среде.

Материя рассматривается и в термодинамике, ее основных положениях и законах.

3. Термодинамика (наука о тепловых процессах).

· Попытки создать вечный двигатель предпринимались с 13 в.

В 1775 г. Парижская АН отказалась рассматривать проекты вечных двигателей ввиду несостоятельности ранее предложенных изобретений (это произошло задолго до формулировки закона сохранения энергии!).

· Первые шаги в создании термодинамики были направлены на изобретение приборов, измеряющих температуру. В 1597 г. термометр изобрел Галилей (в начале 17 в. термометр впервые стал использоваться в медицинских целях).

Сложности возникли в создании шкалы. В наши дни широко применяются 3 шкалы – Фаренгейта, Цельсия и Кельвина (нет отрицательных температур, отсчет начинается с точки абсолютного нуля -273˚С).

· В 19 в. термодинамика активно развивалась в связи с практической потребностью в разработке более совершенных тепловых двигателей.

· Современные представления о тепле и теле отражены в молекулярно-кинетической теории:

Ø Все тела состоят из огромного количества мельчайших частиц;

Ø Тепло – проявление собственного движения этих частиц;

Ø Температура тела – это среднее значение энергии молекул, составляющих тело.

· Тепловые процессы характеризуют Законы термодинамики, которые сформулировал Клаузиус в середине 19 в.:

1-й закон: часть энергии всегда переходит в тепло → любое кол-во произведенной двигателем энергии < энергии, затраченной на его работу → невозможно создать вечный двигатель 1-го рода (т.е. способный производить энергию без дополнительных затрат).

2-й закон: теплота не может переходить от более холодного тела к более горячему без каких-либо других изменений в природе.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся со вторым законом термодинамики. Чай, кофе, завтрак имеют свойство остывать (энергия завтрака по отношению к окружающей среде избыточная → завтрак стремится ее нагреть), а пиво в жаркий летний день – нагреваться (среда передает часть своей энергии пиву). Для охлаждения тела необходимо затратить энергию (например, электрическую для работы холодильника: с одной стороны, он отбирает тепло у хранящихся в нем продуктов, а с другой – обогревает кухню).

Следствие 2 закона термодинамики (по мнению Клаузиуса) – тепловая «смерть» Вселенной: т.к. все процессы направлены к достижению равновесного состояния, все нагретые тела рано или поздно отдадут свою энергию окружающей среде, и протекание каких-либо процессов станет невозможным. Всё закончится достижением температурного равновесия – т.е. тепловой «смертью» Вселенной.

Современная физика опровергает модель Клаузиуса, т.к. в ней не учитываются силы гравитации и процессы самоорганизации.

3-й закон (теорема Нернста): достигнуть абсолютного нуля невозможно за конечное число шагов.

К абсолютному нулю температуры можно приближаться, но т.к. мы не можем создать абсолютно изолированную систему, то охлаждаемое тело будет получать энергию от окружающей среды в соответствии со вторым законом термодинамики. Если мы станем охлаждать и границы системы, то просто увеличим размеры тела, которое охлаждаем. Т.о., охладить тело до абсолютного нуля (0⁰К = -273˚С) невозможно – эта величина остается теоретически предсказанной, но недостижимой на практике.

Также материю, а именно элементарные частицы, из которых она строится, рассматривает еще одна физическая теория - квантовая теория. Мы поговорим о ней на следующей лекции.

Дата добавления: 2015-07-12