Фундаментальные исследования М. Фарадея и других ученых в области электромагнетизма, а также идеи Фарадея о связи между электрическими и магнитными полями и его модель электромагнитного поля были тем необходимым звеном в развитии науки, на основе которого была завершена теоретическая разработка классической электродинамики, создана теория электромагнитного поля и сформулирована электромагнитная теория света.
С чего всё началось
Продолжил фундаментальные исследования Фарадея английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879). В 1861–1862 гг. был напечатан ряд статей Максвелла, где он предложил новую теорию, выдвинув на первый план роль среды, и поставил перед собой цель найти механическую модель, которая раскрывала бы поведение этой среды в магнитных взаимодействиях.
С помощью построенной им модели он приходит к своим знаменитым уравнениям. Система уравнений Максвелла обобщила идеи Фарадея и раскрыла взаимосвязь электрических и магнитных полей. Из уравнений Максвелла следует чрезвычайно важный вывод, предсказанный еще Фарадеем: переменное электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, которая равна скорости света в вакууме.
Итак, это свидетельствовало о существовании электромагнитных волн со всеми научными и техническими последствиями этого открытия.
Теория игр используется даже военными
В 1873 г. вышла в свет знаменитая работа Дж. Максвелла «Трактат по электричеству и магнетизму». Подытожив свои исследования в области электромагнитного поля, автор показал, что свет есть не что иное, как электромагнитные волны, отметил тесную связь между оптическими и электромагнитными свойствами среды, впервые ввел понятие тока смещения, который возникает в диэлектрике между обкладками конденсатора и образует магнитное поле.
Следует заметить, что основную идею об электромагнитной природе света Максвелл высказал еще в 1865 г. К заслугам Максвелла следует отнести и то, что он первый исследовал зависимость показателя преломления света от диэлектрической проницаемости среды, а также установил наличие вращения плоскости поляризации света в электромагнитном поле.
Теорию Максвелла, которая завершила разработку классической электродинамики, создала научные основы электромагнитного поля и открыла электромагнитную природу света, физики сначала встретили недоверчиво. Дело в том, что основные ссылки и выводы теории не были в достаточной степени подтверждены экспериментально. Последняя четверть XIX в. прошла по сути под лозунгом экспериментальной и теоретической проверки теории Максвелла.
Доказательство теории Максвелла
Одна из первых проблем, которая вытекала из теории Максвелла, утверждала, что если есть неразрывная связь между электрическими и магнитными явлениями, то должна быть такая же связь между электростатическими и электромагнитными системами единиц, то есть что электродинамическая постоянная (отношение электростатических и электромагнитных единиц) должна равняться скорости света в вакууме. Эта гипотеза требовала экспериментальной проверки.
Важные предыдущие исследовательские результаты по определению постоянной в уравнениях Максвелла принадлежат российскому ученому А. Г. Столетову (1839–1896), который разработал достаточно точный метод определения отношения этих единиц и впервые установил, что оно равно скорости света.
Это было едва ли не одно из первых доказательств справедливости теории Максвелла.
Большое значение для решения вопроса о движении и распространении энергии имели работы русского ученого Н.А. Умова (1846–1915), в которых он сделал важный шаг в направлении углубления теории поля, ввел понятие движения и потока энергии.
Случайности не случайны — о законах вселенной
Исходя из закона сохранения энергии, он вывел уравнение движения энергии в среде и ввел вектор плотности потока энергии — вектор Умова.
Отдельный случай вектора Умова для электромагнитного поля был рассмотрен через десять лет английским физиком Джоном-Генри Пойнтингом (1852–1914), который в 1884 г. вывел выражение для плотности потока энергии, переносимой электромагнитным полем.
Итак, до 80-х годов XIX в., то есть до того времени, когда немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894) начал работу над своими знаменитыми экспериментальными исследованиями для подтверждения электромагнитной теории поля, в физике не только было завершено создание классической электродинамики, сформулировано электромагнитную теорию поля и установлено электромагнитную природу света, но и выполнены экспериментальные исследования для подтверждения некоторых выводов и положений электромагнитной теории.
Генрих Герц и экспериментальное подтверждение теории Максвелла
И все же только опыты, выполненные Герцем в 1886–1889 гг., экспериментально подтвердили существование электромагнитных волн и утверждение о том, что скорость электромагнитных волн по величине равна скорости света, доказали полную тождественность свойств электромагнитных и световых волн и тем самым подвели исследовательскую основу к теории Максвелла.
Будучи сторонником взглядов М. Фарадея и Д. Максвелла, которые отвергали действие на расстоянии, Г. Герц с 1887 г., повторяя опыты своего учителя Г. Гельмгольца с индукционными катушками, на основе уравнений Максвелла разработал теорию открытого вибратора, что излучает электромагнитные волны. С помощью «вибратора» и «приемника» он показал, что колеблющийся разряд вызывает волны, которые являются совокупностью двух перпендикулярных колебаний — электрического и магнитного.
Теория относительности — гений эйнштейна
Герц выявил отражение, преломление, интерференцию и поляризацию этих волн и доказал, что все исследовательские факты полностью объясняются теорией Максвелла. Исследуя прохождение волн по проводам, Г. Герц разработал классический способ измерения скорости волн в прямолинейном проводнике.
В работе «Основные уравнения электродинамики тел, находящихся в состоянии покоя», опубликованной в 1890 г., Герц придал четкую симметричную форму уравнением Максвелла,
которая хорошо проявляет полную взаимность между электрическими и магнитными действиями.
Герц первый с успехом применил вектор Умова-Пойнтинга для вычисления потока энергии, излучаемой диполем в окружающее пространство, и показал, что количество энергии, которая передается вибратором, будет прямо пропорциональна квадрату длины диполя и обратно пропорциональна кубу длины волны, генерируемой диполем.
Это были отправные соображения в теории антенн и начала теоретических основ радиотехники. Исследования Герца открыли существование свободного электромагнитного поля, и первоочередной задачей физиков стала необходимость генерировать это поле, выявлять его и управлять им. Прежде всего нужно было создать новые типы генераторов, чтобы возбуждать волны все меньших и меньших длин. Сам Герц пользовался волнами длиной 66 см.
Итальянец Аугусто Ричи (1850–1920) в 1893 г. получил волны длиной 10,6 см, а выдающийся русский ученый П.М. Лебедев в 1894 г. продемонстрировал опыты по получению электромагнитных волн длиной 6 мм.
Телеграфия и радио
Итак, в начале 90-х годов XIX в. был доказан синтез электромагнетизма и оптики, полная тождественность электромагнитных и световых волн. Перед наукой возникает новая проблема — использования электромагнитных волн для нужд телеграфии. Решить фундаментальную задачу — об использовании электромагнитных волн для передачи сигналов на расстоянии — впервые удалось русскому ученому А.С. Попову (1859–1906) в 1895 г.
Заслуги Попова в изобретении радио официально были отмечены в 1900 г. присуждением ему почетного диплома и золотой медали на Всемирном электротехническом конгрессе в Париже. Следует заметить, что итальянский радиотехник Гульельмо Маркони предложил в конце 1896 г. Англии, куда он переехал, разработанные им приборы для осуществления беспроводного телеграфа и в 1897 г. получил на них патент.
Ошибка выжившего — парадоксально!
К заслугам Г. Маркони следует отнести успехи в осуществлении практической радиотелеграфии, в частности в 1901 г. он совершил первую радиосвязь с Америкой через Атлантический океан. В 1896–1899 гг. вопросами разработки антенных устройств занимался блестящий сербский ученый и изобретатель в области электротехники и радиотехники Никола Тесла (1854–1943).
Так была завершена борьба за признание реальности существования электромагнитного поля.
