Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Элекромагниттік өріс теориясының пайда болуы
Электромагнетизм саласында Фарадей ашқ ан жаң алық тарды кө рнекті ағ ылшын физигі жә не математигі Максвелл (1831-1879) дамытып жетілдірді. Оның электромагнетизм теориясында электр мен магнетизмнің органикалық байланысы анық талды. Ертеректе Фарадей айтқ ан идеяларды негізге ала отырып, Максвелл электромагниттік ө ріс ұ ғ ымын енгізді. 1860 жылы Максвелл тү сті қ абылдау жә не оптика бойынша жасағ ан жұ мыстары ү шін Румфорд медалімен марапатталды 1857 жылы Кембридж университеті Сатурн сақ иналарының тұ рақ тылығ ына арналғ ан ең жақ сы жұ мысқ а байқ ау жариялады. Бұ л қ ұ рылымдарды XVII ғ асырда Галилей ашқ ан болатын, ә рі бұ л қ ұ рылымдар таң қ аларлық табиғ аттың жұ мбағ ы болды: планета табиғ аты белгісіз заттан тұ ратын ү ш тұ тас концентрлі сақ иналармен қ оршалғ ан болып кө рінді. Лаплас олардың қ атты бола алмайтындығ ын дә лелдеді. Математикалық талдау жасау арқ ылы аксвелл олардың сұ йық та бола алмайтындығ ына кө з жеткізіп, мұ ндай қ ұ рылым тек ө зара байланыспағ ан метеориттердің шоғ ырынан тұ рғ ан жағ дайда ғ ана тұ рақ ты бола алады деген қ орытындығ ы келді. Сақ иналардың тұ рақ тылығ ы олардың Сатурнғ а тартылуы жә не планета мен метеориттердің ө зара қ озғ алысы салдарынан қ амтамасыз етіледі. Осы жұ мысы ү шін Максвелл Дж. Адамс сыйлығ ын алды. Максвеллдің алғ ашқ ы жұ мыстарының бірі – газдардың кинетикалық теориясына арналғ ан жұ мысы. 1859 жылы ғ алым Британдық қ ауымдастық отырысында молекулалардың жылдамдық бойынша таралуы туралы (Максвелл таралуы) баяндама жасады. Максвелл газдардың кинетикалық теориясын жасап, «еркін жол жү ру ұ зындығ ы» тү сінігін енгізген ғ алым Р. Клаузиустың кө зқ арастарын ары қ арай дамытты. Максвелл газдарды ұ йық талғ ан кең істікте бейберекет тү рде қ озғ алатын, идеал серпімді шарлар жинағ ының ансамблі тә різді қ арастыру тү сінігін ұ станды. Шарларды (молекулаларды) жылдамдық тары бойынша топтарғ а бө луге болады, сонымен қ атар стационар кү йде молекулалар саны, олардың топтан шығ уына да, топқ а қ айта енуіне де қ арамастан тұ рақ ты болып қ алады. Осындай қ арастырудан «бө лшектердің жылдамдық бойынша таралуы заң дылығ ы ең кіші квадраттар ә дісі теориясында бақ ыланатын қ ателіктердің таралу заң дылығ ына сә йкес болады, яғ ни Гаусс статистикасына сә йкес» деген қ орытынды туындайды. Максвелл ө зінің теориясы негізінде Авогадро заң ын, диффузияны, жылуө ткізгіштікті, ішкі ү йкелісті тү сіндірді. 1867 жылы термодинамиканың екінші бастамасының статикалық табиғ атын кө рсетті («Максвелл ібілісі»).
1831 жылы, Максвелл дү ниеге келген жылы, М. Фарадей электромагниттік индукцияның ашылуына ә келген классикалық тә жірибелер жасаумен айналысты. Электр жә не магниттік қ ұ былыстардың табиғ атына қ атысты екі кө зқ арас болғ ан кезең нен шамамен 20 жыл ө ткен соң Максвелл электр жә не магнетизмді зерттеуге кірісті. А.М. Ампер жә не Ф. Нейман сынды ғ алымдар электромагниттік кү штерді екі массаның арасындағ ы гравитациялық тартылысқ а ұ қ сас деп қ арастырып, алшақ ә сер ету концепциясын ұ станды. Фарадей болса, оң жә не теріс электр зарядтарын немесе магниттік солтү стік жә не оң тү стік полюстерін байланыстыратын кү ш сызық тары жө ніндегі ойды ұ станды. Кү ш сызық тары барлық қ оршағ ан кең істікті (ө ріс, Фарадей терминологиясы бойынша) толтырады да магниттік жә не электрлік ө зара ә серлесуді туындатады. Фарадейге сү йеніп Максвелл кү ш сызық тарының гидродинамикалық ү лгісін қ ұ растырды жә не Фарадейдің механикалық ү лгілеріне сә йкес келетін электродинамиканың сол кезде белгілі болғ ан қ атынастарын математикалық тілде ө рнектеді. Осы зерттеудің негізгі қ орытындылары «Фарадейдің кү ш сызық тары» атты жұ мысында бейнеленген. 1860-1865 жылдары Максвелл электромагниттік қ ұ былыстардың негізгі заң дылық тарын сипаттайтын тең деулер (Максвелл тең деулері) жү йесі ретінде қ ұ растырғ ан электромагниттік ө ріс теориясын жасады: 1-ші тең деу Фарадейдің электро-магниттік индукциясын білдірді; 2-шісі – ығ ысу тогы тү сінігі негізінде Максвеллдің ө зі ашқ ан, магнитоэлектрлік индукцияны білдірді; 3-шісі – электр мө лшерінің сақ талу заң ы; 4-шісі – магниттік ө рістің қ ұ йындық қ асиеті. Осы ойларды дамыта отырып, Максвелл мынадай қ орытындығ а келді: магнит жә не электр ө рістерінің кез келген ө згерістері қ оршағ ан кең істікті сү зіп ө тетін кү ш сызық тарының ө згеруін туындатуы керек, яғ ни ортада таралатын импульстар (немесе толқ ындар) болу керек. Осы толқ ындардың таралу жылдамдығ ы ортаның магниттік жә не диэлектриктік ө тімділігіне тә уелді болып, электромагниттік бірліктің электростатикалық бірлікке қ атынасымен анық талады. Максвелл мен басқ а да зерттеушілердің деректері бойынша бұ л қ атынас 3, 4·1010 см/с шамасын қ ұ райды, ә рі ол бұ дан жеті жыл бұ рын француз физигі А. Физо ө лшеген жарық жылдамдығ ы шамасына жуық болды. 1861 жылдың қ азан айында Максвелл Фарадейге ө зінің ашқ ан жаң алығ ын мә лімдеді: жарық – ол ө ткізбейтін ортада таралатын электромагниттік қ озу, яғ ни электромагниттік толқ ындардың бір тү рі. Зерттеулердің бұ л соң ғ ы сатысы Максвеллдің «Электромагниттік ө рістің динамикалық теориясы» атты жұ мысында баяндалғ ан, ал оның электродинамика бойынша жасағ ан жұ мыстарын ә йгілі «Электр жә не магнетизм жө ніндегі трактат» шығ армасында қ орытындылады. Электромагниттік ө ріс теориясы жә не де одан туындайтын болуы жө ніндегі қ орытындылар Максвеллдің ө мір сү рген заманында ешқ андай тә жірибелік дә лелдемелері жоқ жай ғ ана теориялық жағ дайлар болып қ алғ андық тан, оны замандастары кө бінде «ой ойыны» ретінде қ абылдады. 1887 жылы неміс ғ алымы Генрих Герц, Максвеллдің теориялық қ орытындыларын толығ ымен дә лелдейтін тә жірибе жасады.Ө мірінің соң ғ ы жылдары Максвелл Кавендиштің қ олжазбалық мұ расын баспағ а шығ аруғ а дайындаумен айналысты. Екі ү лкен том 1879 жылдың қ азан айында жарық кө рді. ЭЛЕКТР (жаң а лат. electrіcus, грек. еlectron – янтарь) – барлық электрмагниттік қ ұ былыстың, яғ ни электр зарядының болуына жә не олардың қ озғ алысы мен ө зара ә серіне негізделген қ ұ былыстардың жиынтығ ы, “Э.” терминінің мазмұ ны физика мен техниканың даму процесінде ө згеріп, толығ ып отырады. Қ арапайым электрлік жә не магниттік қ ұ былыстар ерте заманда-ақ белгілі болғ анымен “Э.” туралы ілім 17 ғ -ғ а дейін дами алғ ан жоқ. 18 ғ -да ол ілім жү йеге тү спеген фактілер мен бір-біріне қ айшы жорамалдар жиынтығ ынан тұ рады. “Э.” жө ніндегі алғ ашқ ы деректер кейбір денелер (мыс., янтарь) ү йкеліс нә тижесінде “электрленеді”, яғ ни ондай денелер жең іл денелерді ө зіне тартады деген тұ жырым тү рінде болды (ғ ылымғ а “Э.” терминін 1600 ж. У.Гильберт енгізген). 18 ғ -дың басында денелердің электрленуі сол денені қ оршағ ан “электрлік атмосфера” ә серінен болады деп қ арастырылды. Алайда 18 ғ -дың ортасынан бастап денелердің ішінде электрлік “флюидтар” (сұ йық тар) болады деген болжамдар қ алыптаса бастады. 18 ғ -дың аяғ ында Г.Кавендиш (1773) жә не Ш.Кулон (1785) ұ қ ыпты жү ргізілген ө лшеулерге сү йене отырып электрстатиканың негізгі заң ын (қ. Кулон заң ы) тұ жырымдап берді. Электр зарядының арасындағ ы тартылыс не тебіліс кү ші кулондық немесе электрстатик. кү ш деп аталады. Э. жө ніндегі ілім тарихындағ ы жаң а кезең – Л.Гальвани (1791) мен А. Вольтаның (1794) хим. жә не контактілік электр кө здерін ашуы болды. Осыдан кейін Э. тогын зерттеу кү шті қ арқ ынмен жү ргізіле бастады: ә уелі токтың физиол. ә сері, кейін оның хим. жә не жылулық ә серлері зерттелді. 1802 ж. В.Петров электр доғ асын (1808 – 09 ж. мұ ны Г.Дэви де байқ ағ ан) ашты жә не оны жарық тандыру ісі мен балқ ыту пештерінде пайдалануғ а болатынын дә лелдеді. Дж. Джоуль (1841) жә не Э.Х. Ленц (1842) бір-біріне тә уелсіз тү рде ө ткізгішпен ток жү ргенде бө лініп шығ атын жылудың мө лшері жө ніндегі заң ды тұ жырымдарды; қ. Джоуль-Ленц заң ы. 1820 ж. Х.Эрстед электр тогы мен тұ рақ ты магнит арасында байланыс болатындығ ын, ал А.Ампер тогы бар екі ө ткізгіштің ө зара ә серлесетіндігін ашты. Тогы бар ө ткізгіштердің арасындағ ы ә серлесу кү ші кулондық кү штен ө згеше ә рі ол электр зарядының қ озғ алысына тә уелді болады. Сондық тан мұ ндай кү штер электрдинамикалық кү штер деп аталады. Эрстед пен Ампердің магнетизм жө ніндегі ашқ ан жаң алық тары “Э.” ілімінің қ ұ рамына енеді. 19 ғ -дың 2-ширегінде Э. техникағ а кең інен ене бастады. 19 ғ -дың 20 жылдары алғ ашқ ы электрмагнит, 30 жылдары телеграфтаудың жетілген сұ лбалары, гальванопластика, алғ ашқ ы электр сұ лбалары мен генераторы, 40 жылдары алғ ашқ ы электрлік жарық тандыру приборлары, т.б. пайда болды. Э-дың кү нделікті тіршілікте қ олданылуы одан ә рі кең ейді. Физиканың жетістіктеріне байланысты электртехниканың кү рт дамуы да Э. ілімінің дамуына елеулі ә сер етті. 19 ғ -дың 30 жә не 40-жылдары М.Фарадей эл.-магн. қ ұ былыстардың жаң а концепциясын ұ сынды. Бұ л уақ ытқ а дейін Э. ө зінің ө ндірілуі (пайда болу) тә сіліне сә йкес: қ арапайым Э. (мыс., ү йкеліс Э-і), атмосф. Э., гальваник. Э. (мыс., гальваник. батареядан алынатын ток), магниттік Э. (мыс., Фарадей ашқ ан индукция тогы), т.б. болып ажыратылатын. Фарадей ө зінің тә жірибесіне сү йене отырып Э-дің барлық тү рінің бірдей екендігін дә лелдеді. Олардың ә р тү рлі болуы, біріншіден – Э. мө лшерінің, екіншіден – кернеудің (потенциалдың) ә р тү рлі болуына байланысты. Фарадей ашқ ан электрмагниттік индукция қ ұ былысының зор маң ызы болды. Бұ л қ ұ былыс электртехниканың іргетасы болып есептеледі. Ал Ленц индукциялық токтың бағ ытын анық тайтын ережені ұ сынды (қ. Ленц ережесі). 1833 – 34 ж. Фарадей электролиз заң дарын ашты. Сө йтіп электрхимияның негізі қ алана бастады. Электролиз заң дары электр зарядының дискреттілігі жө ніндегі жорамал жасауғ а мү мкіндік берді. 19 ғ -дың 2-жартысынан бастап Фарадей идеялары Дж. Максвеллдің жә не Г.Герцтің ең бектерінде одан ә рі дамытылып, қ орытындыланды. Максвелл ө зінің ең бектерінде (1861 – 73) Фарадейдің позициясын толық жақ тады. Ол Фарадейдің кө зқ арасын матем. жолмен талдап, бағ а берді. Мұ ның ү стіне Максвелл электр жә не магнит ө рістерінің бір-біріне ауыса алатындығ ын тұ жырымдады: уақ ыт бойынша магнит ө рісінің ө згеруі Э. ө рісін, ал уақ ыт бойынша Э. ө рісінің ө згеруі магнит ө рісін туғ ызады. Бұ л жағ дайда Э. ө рісінің ө згеру жылдамдығ ына пропорционал шама Э. тогына ұ қ сас болады. Максвелл оны ығ ысу тогы деп атады. Э. зарядын осылайша жалпылау Максвеллге жаң а салдарлар мен болжамдар жасауғ а мү мкіндік берді, яғ ни: кез келген эл.-магн. ө зара ә сердің таралу жылдамдығ ы шекті; негізгі қ асиеттері бойынша жарық толқ ындарымен бірдей (еркін) эл.-магн. толқ ындар болады. Мұ ндай қ орытынды “жарық –электрмагниттік толқ ын” деген батыл идеяның дұ рыстығ ын дә лелдей тү сті. Максвеллдің теориясына сү йене отырып Герц эл.-магн. толқ ынның бар екендігін тә жірибе жү зінде дә лелдеді. Сө йтіп эл.-магн. ө ріс концепциясы Э. туралы ілімде берік дә лелденді. Герц тә жірибесінің нә тижесі эл.-магн. толқ ындарды байланыс мақ саты ү шін пайдалануғ а итермеледі. Мұ ндай міндетті А.С. Попов орындады. Ол 1895 ж. радионы ойлап тапты. Максвеллдің ө ріс энергиясы кең істіктің кішкентай кө лемінде белгілі бір тығ ыздық пен таралғ ан деген тұ жырымның эл.-магн. ө ріс концепциясының дамуы ү шін зор маң ызы болды. Тұ тас ортадағ ы энергияның сақ талу заң ының жалпы тұ жырымдамасын 1874 ж. Н.А. Умов берді. Эл.-магн. толқ ынның, сондай-ақ жарық толқ ынының дене бетіне тү сіретін қ ысымы ретінде байқ алатын импульсы болады. Жарық қ ысымының болатынын тә жірибе жү зінде П.Н. Лебедев дә лелдеді (1899). Эл.-магн. ө ріске динам. ұ ғ ымдарды (масса, энергия, импульс) пайдалануғ а болатындығ ы, физиктерді, Фарадей мен Максвеллдің (ө рісті ерекше ортаның, яғ ни эфирдің кү йі ретінде қ арастырғ ан) кө зқ арастарын қ айта қ арауғ а мә жбү р етті. Мұ ндай қ айта қ арау салыстырмалық теориясы шық қ аннан кейін мү мкін болды. Сө йтіп ғ алымдар эл.-магн. ө рісті эфирдің кү йі ретінде қ арастыратын кө зқ арастан біржолата бас тартты. 19 ғ -дың соң ында Э. туралы ілімнің дамуында жаң а кезең басталды. Оның мазмұ ны Г.Лоренц негізін қ алағ ан классик. электрондық теорияның шығ уына байланысты еді. Алайда бұ л теорияның да шеше алмағ ан кө птеген мә селелері болды. Бұ л қ иыншылық тар 20 ғ -дың басында пайда болғ ан маң ызды физ. теорияларда шешіле бастады. Ломоносовтың ә мбебап сақ талу заң ы
|