Elektryczność i magnetyzm XIX wiek

Transkrypt

1 Elektryczność i magnetyzm XIX wiek

2 Musimy przyznać, że cała nauka o elektryczności jest jeszcze w stanie niedoskonałym. Wiemy mało lub zgoła nico naturze tej substancji i o związanych z nią działaniach; nie możemy nigdy przewidzieć, bez uprzedniego eksperymentu, gdzie i jak zostanie ona wzbudzona. Nie wiemy zupełnie niczego o budowie ciał, dzięki której są one obdarzone różnymi mocami przewodzenia i zdołaliśmy tylko wyciągnąć ogólne wnioski dotyczące rozkładu i równowagi hipotetycznego fluidu elektrycznego, na podstawie praw przyciągania i odpychania, jakie zdaje się on wykazywać. Wydaje się istnieć powód by przypuszczać, na podstawie zjawisk przyciągania i odpychania, że przyczyną tych sił jest ciśnienie ośrodka sprężystego; jeśli tak i ośrodek istnieje, to jest być może blisko związany z fluidem elektrycznym. Tylko niektórzy obecnie wątpią w identyczność ogólnych przyczyn zjawisk elektrycznych i galwanicznych. W naszym kraju [tj. w Anglii] główne zjawiska galwanizmu uważa się za związane z przemianami chemicznymi. Przypuszczalnie także czas pokaże, że elektryczność jest istotnie związana z zasadniczymi właściwościami, które wyróżniają rozmaite rodzaje ciał naturalnych, jak również z tymi cechami i działaniami mechanicznymi, które leżą prawdopodobnie u podstaw wszystkich przemian chemicznych. Lecz obecnie nie wydaje się bezpieczne wysuwanie przypuszczeń na temat przedmiotu tak niejasnego, chociaż doświadczenia pana Davy ego w pewnym stopniu usprawiedliwiają już śmiałość tej sugestii. Thomas Young, A Course of Lectures on Natural Philosophy (1807)

3 Chociaż może być nieco ryzykowne przewidywanie postępu nauki, mogę zauważyć, że impuls stworzony przez oryginalne doświadczenia Galvaniego, wskrzeszony przez odkrycie przez Voltę stosu i doprowadzony do najwyższego stopnia dzięki zastosowaniu do rozkładu chemicznego przez Sir H. Davy ego, wydaje się w znacznym stopniu osłabnąć. Można przypuszczać, iż wykorzystaliśmy moc tego instrumentu do jego ostatecznych granic i nie wydaje się, abyśmy obecnie byli na drodze do osiągnięcia jakiegokolwiek istotnego przyczynku do naszej wiedzy o jego skutkach, lub też uzyskania nowego oświetlenia teorii jego działania. John Bostock, An Account of the History and Present State of Galvanism (1818)

4 Hans Christian Oersted ( ) André Marie Ampère ( ) Jean-Baptiste Biot ( ) Georg Simon Ohm ( ) Michael Faraday ( ) Joseph Henry ( ) Simeon Denis Poisson ( ) Carl Friedrich Gauss ( ) Wilhelm Eduard Weber ( ) Franz Ernst Neumann ( )

5 Odkrycie elektromagnetyzmu (1820) Hans Christian Oersted ( )

6 Opis odkrycia elektromagnetyzmu opracowany przez Oersteda dla Edinburgh Encyclopedia (1830): Elektromagnetyzm został odkryty w 1820 r. przez profesora Hansa Christiana Oersteda z uniwersytetu w Kopenhadze. Podczas zimy miał on wykłady na temat galwanizmu i magnetyzmu dla słuchaczy, którzy poprzednio zaznajomili się z zasadami filozofii naturalnej. Przygotowując wykład, w którym miał omawiać analogię między elektrycznością i magnetyzmem wpadł on na pomysł, że jeśli jest możliwe wywołanie przez elektryczność jakiegoś efektu magnetycznego, to efekt ten nie powinien występować w kierunku prądu, gdyż to sprawdzano wielokrotnie bez powodzenia, lecz musi być spowodowany pewnym działaniem w bok. Było to ściśle związane z innymi jego ideami, gdyż traktował on przenoszenie elektryczności przez przewodnik nie jako jednostajny strumień, lecz jako zbiór kolejnych naruszeń stanu równowagi i powrotów do niej zachodzących w taki sposób, że siły elektryczne prądu nie pozostają w trwałej równowadze, ale w ciągłym konflikcie. Skoro efekt świetlny i cieplny prądu rozchodzi się we wszystkich kierunkach od przewodnika przenoszącego wielką ilość elektryczności, przypuszczał on, że podobnie może promieniować efekt magnetyczny...

7 Opis odkrycia elektromagnetyzmu opracowany przez Oersteda dla Edinburgh Encyclopedia (1830), cd. Daleki był jednak od oczekiwania znacznego efektu magnetycznego i stale myślał, że potrzeba takiej mocy, przy której drut rozżarzyłby się. Pierwszy eksperyment był planowany tak, aby prąd z małej baterii galwanicznej używanej zwykle w jego wykładach przepuścić przez bardzo cienki drut platynowy umieszczony nad kompasem przykrytym szkłem. Przygotowania do eksperymentów zostały zakończone. ale pewien wypadek przeszkodził mu wypróbować je przed wykładem, toteż planował odłożenie ich na inną okazję. Jednakże podczas wykładu szansa powodzenia wydała mu się większa, toteż wykonał ten eksperyment po raz pierwszy w obecności słuchaczy. Igła magnetyczna doznała zaburzenia, chociaż była zamknięta w pudełku; efekt był jednak bardzo słaby i wydawał się być przed wykryciem rządzącego nim prawa - bardzo nieregularny, toteż eksperyment nie wywarł silnego wrażenia na słuchaczach.

8 Opis odkrycia elektromagnetyzmu opracowany przez Oersteda dla Edinburgh Encyclopedia (1830), cd. Może się wydać dziwne, że odkrywca nie wykonywał żadnych eksperymentów na ten temat przez następne trzy miesiące; on sam nie znajduje na to łatwego wyjaśnienia. Jednakże niezmierna małość efektu i pozorny brak prawidłowości w pierwszym eksperymencie, pamięć o licznych błędach popełnionych w tym przedmiocie przez wcześniejszych filozofów, zwłaszcza przez jego przyjaciela Rittera, oraz świadomość, że sprawa musi być traktowana z największą uwagą, mogły go przekonać o odłożeniu badań na dogodniejszą porę. W lipcu 1820 r. podjął on znów eksperymenty używając dużo znaczniejszego przyrządu galwanicznego. Tym razem powodzenie było oczywiste, jednakże efekt przy pierwszym powtórzeniu eksperymentu był nadal bardzo słaby, ponieważ używane były tylko bardzo cienkie druty zgodnie z przekonaniem, że efekt magnetyczny nie wystąpi, jeśli prąd galwaniczny nie wytworzy światła i ciepła; wkrótce jednak stwierdził, że przewodniki o większej średnicy dają dużo większy efekt i wówczas odkrył na podstawie kilkudniowych doświadczeń fundamentalne prawo elektromagnetyzmu, a mianowicie, że efekt magnetyczny prądu galwanicznego ma wokół niego ruch kołowy...

9 Pierwsze doświadczenia nad przedmiotem, który pragnę wyjaśnić, były wykonywane podczas wykładów o elektryczności, galwanizmie i magnetyzmie, jakie miałem w ciągu ubiegłej zimy. Z tych doświadczeń wydawało się wynikać, że igłę magnetyczną można wyprowadzić z jej położenia za pomocą przyrządu galwanicznego i to przy obwodzie zamkniętym, nie zaś przy otwartym, jak tego na próżno próbowali przed kilku laty niektórzy sławni fizycy. Ponieważ pierwsze moje doświadczenia były wykonane z niezbyt silnym przyrządem, przeto otrzymane efekty nie były wystarczające dla rzeczy tak doniosłej; wziąwszy więc do pomocy mojego przyjaciela, radcę prawnego Esmarcha, powtórzyłem wraz z nim eksperymenty przy użyciu znaczniejszego, wspólnie przez nas zestawionego przyrządu. Przy naszych doświadczeniach był także obecny jako uczestnik i świadek prezydent rady Wleugel, kawaler orderu Danii. Ponadto świadkami eksperymentów byli najznakomitsi mężowie, odznaczeni przez króla najwyższymi honorami, a to: marszałek dworu Hauch - od dawna znany jako znakomity fizyk, słynący z bystrości profesor historii naturalnej Reinhard, wyborny eksperymentator, profesor medycyny Jacobson oraz znawca chemii, doktor filozofii Zeise. Często wykonywałem eksperymenty sam, ale za każdym razem, gdy napotykałem jakieś nowe zjawisko, powtarzałem je w obecności tych uczonych... Oersted, Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam. (21 VII 1820 r.)

10 annus mirabilis 21 VII Oersted ogłasza o swoim odkryciu 4 IX referat Arago na posiedzeniu Académie des Sciences 11 IX Arago powtarza eksperymenty Oersteda w obecności akademików 18 IX pierwsze wystąpienie Ampere a w Académie des Sciences 25 IX drugie wystapienie Ampere a (9 dalszych jego wystąpień w kolejne poniedziałki) 30 X Biot i Savart ogłaszają swoje wyniki w Académie des Sciences 6 IX w Halle Johann Schweigger demonstruje swój multiplikator Arago (w Paryżu) i Davy (w Londynie) donoszą, że pręty żelazne wewnątrz cewek z prądem stają się namagnesowane.

11 Opis odkrycia elektromagnetyzmu opracowany przez Oersteda dla Edinburgh Encyclopedia (1830), cd. Daleki był jednak od oczekiwania znacznego efektu magnetycznego i stale myślał, że potrzeba takiej mocy, przy której drut rozżarzyłby się. Pierwszy eksperyment był planowany tak, aby prąd z małej baterii galwanicznej używanej zwykle w jego wykładach przepuścić przez bardzo cienki drut platynowy umieszczony nad kompasem przykrytym szkłem. Przygotowania do eksperymentów zostały zakończone, ale pewien wypadek przeszkodził mu wypróbować je przed wykładem, toteż planował odłożenie ich na inną okazję. Jednakże podczas wykładu szansa powodzenia wydała mu się większa, toteż wykonał ten eksperyment po raz pierwszy w obecności słuchaczy. Igła magnetyczna doznała zaburzenia, chociaż była zamknięta w pudełku; efekt był jednak bardzo słaby i wydawał się być przed wykryciem rządzącego nim prawa - bardzo nieregularny, toteż eksperyment nie wywarł silnego wrażenia na słuchaczach.

12 Ampere w liście do swego syna Jean-Jacquesa (wieczorem 25 IX 1820 r.): Cały czas miałem zajęty przez sprawy wielkiej wagi dla mojego życia. Od chwili, gdy dowiedziałem się o świetnym odkryciu pana Oersteda, profesora w Kopenhadze, o działaniu prądów galwanicznych na igłę magnetyczną, ciągle o tym myślałem chcąc podać obszerną teorię tych zjawisk, poruszyć teorie istniejące wcześniej i wykonać doświadczenia wynikające z mojej teorii; doświadczenia te się udały i pozwoliły poznać wiele faktów. Początek traktatu przedstawiłem na posiedzeniu w poniedziałek tydzień temu. W następnych dniach wykonałem albo z Fresnelem, albo z Despretzem doświadczenia potwierdzające moje wnioski. W piątek powtórzyłem wszystkie doświadczenia u Poissona. Wszystko pięknie się udało, ale końcowe doświadczenie, które traktowałem jako ostateczny dowód, wykonane przy użyciu dwóch zbyt słabych stosów, nie udało się mnie i Fresnelowi. Wreszcie wieczorem otrzymałem od Dulonga wielki stos i doświadczenia jakie wykonałem przyniosły pełny sukces; dziś o 4-tej powtórzyłem je na posiedzeniu Akademii. Nie było żadnych sprzeciwów, jest to nowa teoria sprowadzająca wszystkie zjawiska do zjawisk galwanizmu. Zupełnie to nie podobne do tego, co myślałem dotychczas. Jutro objaśnię na nowo tę teorię panu Humboldtowi, a pojutrze panu Laplace owi...

13 André Marie Ampere (1820) Działanie elektromotoryczne przejawia się w dwóch rodzajach zjawisk, które - jak sądzę - należy rozróżnić precyzyjnymi definicjami. Pierwsze nazwę napięciem elektrycznym, a drugie - prądem elektrycznym. Pierwsze obserwujemy, jeżeli ciała, między którymi ono występuje, są oddzielone od siebie przez ciała nieprzewodzące we wszystkich punktach ich powierzchni, z wyjątkiem tych, gdzie ono się zderza; drugie występuje, kiedy ciała tworzą część obwodu ciał przewodzących, które są w kontakcie w punktach powierzchni różnych od tych, w których działanie elektromotoryczne powstaje... W tym drugim przypadku nie ma już napięcia elektrycznego, lekkie ciała nie są w widoczny sposób przyciągane, a zwykły elektrometr nie może już nam wskazywać stanu ciał; mimo to jednak działanie elektromotoryczne się utrzymuje...

14 André Marie Ampere Rozważając różne przyciągania i odpychania w przyrodzie wpadłem na myśl, że siła, której wyrażenia szukam, jest także odwrotnie proporcjonalna do odległości. Dla większej ogólności założyłem, że ta siła jest odwrotnie proporcjonalna do odległości w potędze n, gdzie stałą n należy wyznaczyć. Oznaczając przez ρ nieznaną funkcję kątów θ, θ miałem ρii dsds /r jako ogólne wyrażenie na siłę oddziaływania między elementami ds, ds dwóch prądów o natężeniach i oraz i. Jeżeli θ oraz θ są kątami między r oraz elementami ds oraz ds, a ε jest kątem między elementami ds oraz ds, to według Ampère'a:

15 James Clerk Maxwell o pracach Ampère a Badania doświadczalne, na których podstawie Ampère ustalił prawa działania mechanicznego między prądami elektrycznymi, stanowią jedno z najświetniejszych osiągnięć w nauce. Wydaje się, że ta całość, teoria i doświadczenie, wyskoczyły z mózgu tego Newtona elektryczności całkowicie ukształtowane i gotowe do użytku. Forma jej jest doskonała, ścisłość bez zarzutu, a wszystko streszcza się w jednym wzorze, z którego można wyprowadzić wszystkie zjawiska, i który musi na zawsze pozostać zasadniczym wzorem elektrodynamiki. Ale metoda Ampère a, chociaż ułożona w postać indukcji, nie pozwala nam śledzić tego kształtowania się pojęć, które nią kierowało. Trudno nam uwierzyć, że Amp ère rzeczywiście odkrył prawo działania prądów na podstawie eksperymentów jakie opisuje. Zaczynamy podejrzewać to, o czym zresztą on sam mówi, że odkrył to prawo jakąś metodą, której nam nie pokazuje, a następnie zbudowawszy dowód doskonały, zatarł wszelkie ślady rusztowania, które służyło mu do jego wzniesienia. (Treatise on Electricity and Magnetism, cz. IV)

16 Długoletnie nieudane poszukiwania zjawiska wytwarzania prądu przez magnetyzm spowodowane tym, że poszukiwano efektu statycznego 1822 Doświadczenie Ampère a i de la Rivy błędna interpretacja zauważonego efektu indukcji elektromagnetycznej 1824 Doświadczenie Arago z oscylacjami igły magnetycznej 1825 Doświadczenie Arago z pociąganiem igły magnetycznej przez obracającą się tarczę 1825 Nieudane doświadczenie Colladona Nieudane doświadczenia Faradaya 29 VIII 1831 Odkrycie indukcji elektromagnetycznej

17 Michael Faraday 22 IX 1791 Urodził się w Londynie 1 III 1813 Asystent w Royal Institution IX 1821 Odkrycie rotacji magnetycznej III 1823 Skroplenie chloru II 1825 Dyrektor Royal Institution V 1825 Odkrycie benzenu 29 VIII 1831 Odkrycie indukcji elektromagnetycznej 1832 Dowód identyczności 5 rodzajów elektryczności Prawa elektrolizy 1836 Klatka Faradaya od 1837 Badania dielektryków Idea pola elektromagnetycznego 13 IX 1845 Odkrycie zjawiska magnetooptycznego 4 XI 1845 Odkrycie diamagnetyzmu i paramagnetyzmu 25 VIII 1867 Umarł w Londynie

18 Sierpień 29, Eksperymenty dotyczące wytwarzania elektryczności z magnetyzmu etc. Wykonałem pierścień żelazny (z miękkiego żelaza) okrągły, 7/8 cala grubości, o zewnętrznej średnicy 6 cali. Nawinąłem na jednej połówce wiele zwojów drutu miedzianego, zwoje odizolowane były od siebie sznurkiem i perkalem. Były tam trzy kawałki drutu, każdy o długości około 24 stopy; można je było łączyć razem, lub używać oddzielnie. Sprawdziłem przy użyciu baterii, że każdy z kawałków był odizolowany od drugiego. Tę część przewodnika nazwę A. Po drugiej stronie w pewnym odstępie nawinięty był drut z dwóch kawałków o łącznej długości około 60 stóp, kierunek nawinięcia tak jak w poprzednich zwojach; tę część pierścienia nazwę B. Naładowałem baterię z dziesięciu par czterocalowych płyt. Połączyłem zwoje po stronie B w jedną cewkę i połączyłem jej końce drutem miedzianym, który w odległości 3 stóp od pierścienia przechodził tuż ponad igłą magnetyczną. Potem połączyłem końce jednego z odcinków po stronie A z baterią; natychmiast widoczny wpływ na igłę. Oscylowała ona i powróciła w końcu do pierwotnego położenia. Przy przerwaniu połączenia strony A z baterią znów zaburzenia igły. Połączyłem wszystkie odcinki po stronie A w jedną cewkę i przepuściłem przez tę całość prąd z baterii. Wpływ na igłę dużo silniejszy niż poprzednio...

19 Eksperymenty Michaela Faradaya Cewka użyta 29 VIII 1831 Eksperyment z 28 X 1831 (szkic) Cewka użyta 17 X 1831 Cewki Faradaya Galwanometry Faradaya

20 Linie pola magnetycznego w doświadczeniach Faradaya

21 Maxwell o metodzie Faradaya Metoda, którą posługiwał się Faraday w swych badaniach polegała na ciągłym odwoływaniu się do doświadczenia jako środka sprawdzania poprawności pojęć i na ciągłym doskonaleniu tych pojęć pod bezpośrednim wpływem doświadczenia. W ogłoszonych przez niego opisach badań znajdujemy te pojęcia wyrażone językiem, który jest najwłaściwszy dla rodzącej się nauki, ponieważ jest nieco odmienny od stylu fizyków przywykłych do matematycznych form rozumowania. Było to może z korzyścią dla nauki, że Faraday, chociaż w pełni świadom zasadniczych pojęć przestrzeni, czasu i siły, nie był zawodowym matematykiem. Nie kusiło go zagłębianie się w liczne interesujące dociekania w matematyce czystej, które by mu podsuwały jego odkrycia, gdyby były ujęte w formę matematyczną, i nie czuł się powołany do narzucania swym pomysłom kształtu odpowiadającego matematycznemu gustowi jego epoki, ani do wyrażania ich w postaci, którą by matematycy mogli atakować. W ten sposób miał dość czasu, aby wykonywać swe prace, uzgadniać swe idee z poznawanymi faktami i wyrażać je językiem naturalnym i nietechnicznym. Traktat o elektryczności i magnetyzmie, cz. 4 cz. 4

22 Odkrycie samoindukcji Chciałbym wspomnieć jeden fakt, o którym nie widziałem wzmianki w żadnej pracy, a który wydaje mi się należeć do tej samej klasy zjawisk, co opisane powyżej. Oto on: jeśli mała bateria jest nieznacznie wzbudzona przez rozcieńczony kwas, a jej bieguny - które muszą się kończyć w naczyniach z rtęcią - są połączone drutem miedzianym o długości mniejszej niż stopa, to nie obserwuje się iskry przy zamykaniu lub przerywaniu połączenia; jeśli jednak zamiast drutu krótkiego użyje się drutu o długości 30 lub 40 stóp, to chociaż nie widać iskry przy zamykaniu połączenia, wyraźna iskra tworzy się przy jego przerywaniu przez wyciągnięcie jednego końca drutu z naczynia z rtęcią. Jeżeli działanie baterii uczynimy bardziej intensywnym, to iskrę widać przy użyciu krótkiego drutu... Efekt ten wydaje się nieco większy, gdy drut zwiniemy w cewkę, zdaje się też zależeć w pewnym stopniu od długości i grubości drutu. Mogę wyjaśnić te zjawiska tylko przypuszczając, że drut długi staje się naładowany elektrycznością, która działając na siebie samą wytwarza iskrę przy przerywaniu połączenia... Joseph Joseph Henry Henry, O wytwarzaniu prądów i iskier elektryczności z magnetyzmu, American Journal of Science and Arts (1832)

23 Heinrich Friedrich Emil Lenz (1834):...Kiedy przeczytałem rozprawę Faradaya doszedłem do wniosku, że wszystkie eksperymenty nad indukcją elektrodynamiczną można bardzo łatwo sprowadzić do praw ruchu elektrodynamicznego, jeśli więc uznamy te ostatnie za znane, to tym samym będą określone te pierwsze......prawo, według którego zjawiska magnetoelektryczne redukują się do zjawisk elektromagnetycznych brzmi następująco: Jeżeli przewodnik metaliczny porusza się w sąsiedztwie prądu galwanicznego lub magnesu, to powstanie w nim prąd galwaniczny o kierunku takim, że gdyby drugi przewodnik był nieruchomy, to prąd ten spowodowałby ruch dokładnie w kierunku przeciwnym; zakłada się przy tym, że drut w spoczynku mógłby się przesuwać tylko w kierunku ruchu i w kierunku przeciwnym. Zatem, aby przedstawić kierunek prądu wzbudzonego w poruszającym się drucie przez indukcję elektrodynamiczną, rozważamy kierunek, w jakim winien by płynąć prąd, aby wywołać ruch zgodny z prawami elektromagnetycznymi; prąd w drucie będzie wzbudzony w kierunku przeciwnym...

24 Eksperymenty Ohma (1825) Druty jednakowej grubości, różnej długości Drut standardowy: Odczyt s Drut badany: Odczyt a Ułamkowa strata siły v = (s - a)/s Prawo Ohma (1825): (x - długość drutu, m - parametr) v = m log (1 + x/a) Język obecny: v = m [log(a + x) - log a)] mx/a ponieważ log(a +x) = log a + x/a + x 2 /2a I n = E/R I o = E/(R + r) {r - drut badany, R R w } I n - I o = E [1/R - 1/(R + r)] Er/R 2 for r «R, (I n - I o )/I n Er/I n R 2 Eksperymenty Ohma (1826) Działanie magnetyczne prądu X = a/(b + x) x - długość drutu a - parametr zależny od ΔT b - parametr charakteryzujący niezmienną część obwodu

25 Wzór Webera (1846) na całkowitą siłę odpychania elektrostatycznego między dwoma poruszającymi się ładunkami e and e : r odległość między ładunkami, c stała o wymiarze prędkości, równa w przybliżeniu cm/s. Według Webera sens fizyczny stałej c polegał na tym, że przy względnej prędkości ruchu ładunków punktowych e i e równej dr/dt=c 2 ich przyciąganie elektrostatyczne jest skompensowane przez odpychanie elektrodynamiczne, tak że wypadkowa siła będzie równa zeru. Wartość stałej c można było wyznaczyć bezpośrednio ze stosunku jednostek elektrostatycznych do elektrodynamicznych. Weber i Kohlrausch (1856) wyznaczyli c 2 = 4, czyli c = 3,

26 Synteza Maxwella

27 James Clerk Maxwell 13 VI 1831 Urodził się w Edynburgu Studia w Edynburgu Studia w Cambridge Faraday s Lines of Force Profesor w Aberdeen Profesor w King scollege w Londynie 1859 Stability of the Motion of Saturn s rings 1859 Illustrations of the Dynamical Theory of Gases On Physical Lines of Force 1864 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field od 1871 Profesor fizyki doświadczalnej w Cavendish Laboratory 1873 Treatise on Electricity and Magnetism 5 XI 1879 Zmarł w Cambridge

28 Zakładam, że ośrodek magnetyczny dzieli się na małe części lub komórki, przy czym granice, czyli ścianki komórek są złożone z pojedynczej warstwy cząstek sferycznych, które stanowią elektryczność. Przyjmuję, że substancja tych komórek jest wysoce sprężysta, zarówno gdy chodzi o ściskanie jak odkształcanie; zakładam także, że istnieje związek między komórkami i cząstkami w ich ściankach taki, że występuje między nimi doskonałe toczenie się bez ślizgania i że działają na siebie stycznie. Następnie znajduję, że jeśli komórki zostają wprawione w obrót, to ośrodek wywiera naprężenie równoważne ciśnieniu hydrostatycznemu połączonemu z napięciem podłużnym wzdłuż osi rotacji. Jeśli są dwa podobne układy, jeden: układ magnesów, prądów elektrycznych i ciał podatnych na indukcję magnetyczną, a drugi złożony z komórek i ich ścianek, przy czym gęstość komórek jest wszędzie proporcjonalna do zdolności indukcji magnetycznej w odpowiednim punkcie drugiego układu, a wielkość i kierunek komórek -proporcjonalna do siły magnetycznej, to: List Maxwella do Williama Thomsona 10 XII 1861 r.

29 1. Wszystkie siły mechaniczne w jednym układzie będą proporcjonalne do sił powstających w drugim układzie wskutek siły odśrodkowej. 2. Wszystkie prądy elektryczne w jednym układzie będą proporcjonalne do prądów cząstek tworzących ścianki komórek w drugim układzie. 3. Wszystkie siły elektromotoryczne w jednym układzie, czy to powstające wskutek zmian położenia magnesów lub prądów, czy wskutek ruchu przewodników, czy wreszcie wskutek zmian natężenia magnesów lub prądów, będą proporcjonalne do sił działających na cząstki ścianek komórek wynikających ze stycznego działania rotujących komórek, gdy ich prędkość rośnie lub maleje. 4. Jeśli w ciele nieprzewodzącym wzajemne ciśnienie ścianek komórek (co odpowiada napięciu elektrycznemu) zmniejsza się w danym kierunku, to cząstki będą pchane w tym kierunku, ale przeciwdziałać temu będzie ich powiązanie z substancją komórek. Wobec tego cząstki te wytwarzają naprężenie w komórkach dopóki wspomniana sprężystość nie zrównoważy dążenia cząstek do ruchu. Wystąpi zatem przesunięcie cząstek proporcjonalne do siły elektromotorycznej, a gdy siła ta zostanie usunięta, przesunięcie cząstek zniknie... List Maxwella do WilliamaThomsona (cd.)

30 Maxwell, On the physical lines of force, 1861 Niech AB przedstawia prąd elektryczny w kierunku od A do B. Niech duże przestrzenie ponad i poniżej AB przedstawiają wiry, a małe kółka oddzielające wiry - umieszczone między nimi warstwy cząstek, które w naszej hipotezie przedstawiają elektryczność.niech teraz prąd elektryczny płynący z lewa na prawo zaczyna się w AB. Warstwa wirów gh ponad AB zostanie wprawiona w ruch w kierunku przeciwnym do wskazówek zegara (nazwiemy ten kierunek +, a kierunek wskazówek zegara ). Przypuśćmy, że warstwa wirów kl jest w spoczynku, wówczas warstwa cząstek między tymi warstwami będzie odczuwała działanie gh od dołu i będzie w spoczynku od góry. Jeżeli cząstki te mogą się swobodnie poruszać, to zaczną się obracać w kierunku, a jednocześnie będą się poruszały z prawa na lewo, czyli w kierunku przeciwnym do prądu, będą więc stanowiły prąd indukowany.

31 Przedstawienie wirów Maxwella przez Olivera Lodge a (Modern Views on Electricity, 1889). Pręt reprezentuje ładunki elektryczne; kiedy płynie prąd, porusza się on, wprawiając w ruch kółka (+) które dają efekt pola magnetycznego. Kółka oznaczone (-) służą jedynie do wprawiania w ruch kółek bardziej odległych.

32 James Clerk Maxwell, Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego, Philosophical Transactions155,459 (1865) 1. Najbardziej oczywistym zjawiskiem mechanicznym w doświadczeniach elektrycznych i magnetycznych jest oddziaływanie, wskutek którego ciała w pewnych stanach wprawiają się nawzajem w ruch pozostając jeszcze w pewnej odległości od siebie. Pierwszym więc krokiem w sprowadzeniu tych zjawisk do postaci naukowej jest sprawdzenie wielkości i kierunku siły działającej między ciałami; kiedy stwierdzi się,że ta siła zależy w pewien sposób od względnego położenia ciał i od ich stanu elektrycznegoi magnetycznego, to wydaje się na pierwszy rzut oka naturalne wyjaśnienie faktów jeśli przyjąć istnienie w każdym z tych ciał czegoś w spoczynku lub w ruchu. co sprawia ich stan elektryczny i magnetyczny i jest zdolne do działania na odległość według praw matematycznych. W ten sposób utworzono teorie matematyczne elektryczności statycznej, magnetyzmu, działania mechanicznego między przewodnikami z prądem oraz indukcji prądów. W tych teoriach siłę działającą między dwoma ciałami rozważa się tylko w odniesieniu do stanu tych ciał i ich względnego położenia nie biorąc wcale pod uwagę otaczającego ośrodka. W teoriach tych zakłada się mniej lub bardziej bezpośrednio istnienie substancji, których cząstki są obdarzone właściwością działania na siebie na odległość siłą przyciągającą lub odpychającą. Najbardziej kompletną teorią tego rodzaju jest teoria W. Webera, któremu udało się objąć jedną teorią zjawiska elektrostatyczne i elektrodynamiczne. Stwierdził przy tym, że jest konieczne założenie, iż siła między dwiema cząstkami elektrycznymi zależy od ich względnej prędkości jak również od odległości.

33 Teoria ta, rozwinięta przez panów W. Webera i C. Neumanna, jest wyjątkowo pomysłowa i zadziwiająco wszechstronna w zastosowaniu do zjawisk elektryczności statycznej, przyciągań elektromagnetycznych, indukowania prądów oraz zjawisk diamagnetyzmu; znaczenie tej teorii jest tym większe, że posłużyła ona ukierunkowaniu spekulacji człowieka, który przyczynił się do tak wielkiego postępu w praktycznej części nauki o elektryczności wprowadzając spójny układ jednostek do pomiarów elektrycznych i wyznaczając wielkości elektryczne z dokładnością przedtem nieznaną. 2. Jednakże trudności mechaniczne występujące przy założeniu, że cząstki oddziałują na odległość siłami zależnymi od prędkości są takie, że wstrzymują mnie przed uznaniem tej teorii za ostateczną, chociaż mogła ona być użyteczna i nadal może nas prowadzić w porządkowaniu zjawisk. Dlatego też wolę szukać innego wyjaśnienia zjawisk zakładając, że powodują je działania zachodzące zarówno w otaczającym ośrodku jak i we wzbudzonych ciałach; staram się wyjaśnić oddziaływanie między odległymi ciałami nie zakładając istnienia sił działających bezpośrednio na odległość. 3. Teorię, którą tu proponuję, można nazwać teorią pola elektromagnetycznego, ponieważ dotyczy ona przestrzeni otaczającej ciała elektryczne i magnetyczne, można ją też nazwać teorią dynamiczną, gdyż przyjmuje się w niej, że w tej przestrzeni występuje poruszająca się materia, za której pośrednictwem powstają obserwowane zjawiska elektromagnetyczne.

34 4. Pole elektromagnetyczne to ta część przestrzeni, która zawiera w sobie i otacza ciała znajdujące się w stanie elektrycznym lub magnetycznym. Przestrzeń ta może być wypełniona dowolną materią, ale możemy także starać się opróżnić ją z materii, jak to się dzieje w rurkach Geisslera i innych tak zwanych rurkach próżniowych. Jednak zawsze pozostaje dostatecznie dużo materii dla pochłaniania i przenoszenia ruchu falowego światła i ciepła. Ponieważ przenoszenie tych promieni nie bardzo się zmienia, gdy miejsce tak zwanej próżni zajmą ciała przezroczyste o mierzalnej gęstości, musimy przyznać, że te falowania odnoszą się do eteru, a nie do materii, której obecność jedynie w pewien sposób modyfikuje ruch eteru. 5. Energia przekazywana ciału przy jego ogrzewaniu musi uprzednio istnieć w poruszającym się ośrodku, ponieważ falowania opuszczają źródło ciepła jakiś czas przed dotarciem do tego ciała i przez ten czas energia musi w połowie być zawarta w ruchu ośrodka, a w połowie w postaci naprężeń sprężystych. Na podstawie takich rozważań profesor Thomson wykazał, że ten ośrodek musi mieć gęstość porównywalną z gęstością zwykłej materii i nawet wyznaczył dolną granicę tej gęstości. 6. Istnienie przenikającego wszystko ośrodka o małej lecz niezerowej gęstości, ośrodka, który może być wprawiany w ruch i przekazywać ten ruch między swymi częściami z prędkością wielką, lecz skończoną, musimy zatem przyjąć jako wniosek wyciągnięty z innej, niezależnej, gałęzi nauki. Części tego ośrodka muszą być więc tak z sobą powiązane, że ruch jednej części zależy w jakiś sposób od ruchu reszty, przy tym te powiązania muszą umożliwiać przesunięcia sprężyste, ponieważ przekazywanie ruchu nie następuje natychmiastowo, lecz wymaga czasu...

35

36 Maxwell w swych pracach, jak również w Traktacie o elektryczności i magnetyzmie pisał równania używając jeszcze tylko współrzędnych lub notacji kwaternionów. Nie znajdziemy tam równań Maxwella w znanej obecnie postaci. Rachunek wektorowy wprowadzili do fizyki głównie Oliver Heaviside i Josiah Gibbs Równania Maxwella w obecnie używanej postaci wprowadził pierwszy Oliver Heaviside w 1885 roku

37

38 Te ogólne równania zostają następnie zastosowane do przypadku zaburzenia magnetycznego rozchodzącego się w ośrodku nieprzewodzącym; podany jest dowód, że mogą się tak rozchodzić jedynie zaburzenia poprzeczne do kierunku propagacji i że prędkość ich rozchodzenia się jest równa prędkości v, znalezionej w doświadczeniach Webera i podobnych, która wyraża liczbę elektrostatycznych jednostek elektryczności zawartych w jej jednostce elektromagnetycznej. Ta prędkość jest tak bliska prędkości światła, że mamy silną podstawę aby wyciągnąć wniosek, iż samo światło (a także ciepło promieniste i inne rodzaje, jeśli istnieją) jest zaburzeniem elektromagnetycznym, które rozchodzi się w postaci fal w polu elektromagnetycznym, zgodnie z prawami elektromagnetyzmu. Maxwell - A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (1864)

39 W tym traktacie zamierzam opisać najważniejsze z tych zjawisk elektrycznych i magnetycznych, pokazać jak je można mierzyć i prześledzić związki między zmierzonymi wielkościami. Otrzymawszy w ten sposób dane wyjściowe dla matematycznej teorii elektromagnetyzmu i pokazawszy jak tę teorię można stosować do obliczania zjawisk, postaram się przedstawić - najjaśniej jak mogę - związki między postacią matematyczną tej teorii oraz fundamentalną nauką jaką jest Dynamika; będzie się można w ten sposób przygotować do określenia tych prawidłowości dynamicznych, wśród których należy szukać ilustracji lub objaśnienia zjawisk elektromagnetycznych. Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism (1873)

40 ...według hipotezy Fechnera prąd elektryczny składa się z dwóch jednakowych strumieni elektryczności dodatniej i ujemnej, płynących przez ten sam przewodnik w przeciwnych kierunkach... Wydaje mi się jednak, że niezależnie od tych rozważań, które pokazują analogie między prądem elektryczności i prądem cieczy materialnej, powinniśmy się wystrzegać wszelkich założeń nie mających oparcia w doświadczeniu. Uważam, iż dotychczas nie mamy danych doświadczalnych, które by wykazały, że prąd elektryczny jest rzeczywiście prądem materii lub prądem podwójnym; nie wiemy jeszcze także jak wielka lub mała jest jego prędkość mierzona w stopach na sekundę. Znajomość tych faktów byłaby co najmniej punktem wyjścia do opracowania kompletnej dynamicznej teorii elektryczności, w której oddziaływanie elektryczne byłoby rozważane inaczej niż w niniejszym traktacie, to znaczy nie jako zjawisko, którego przyczyna pozostaje nieznana i które jest rządzone tylko ogólnymi prawami dynamiki, lecz jako wynik znanych ruchów znanych składników materii. Przy tym, przedmiotem badań byłyby nie tylko zjawiska ogólne i wyniki końcowe, lecz także mechanizm i szczegóły tych ruchów... James Clerk Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism, 574

41 Wielkość V z paragrafu 784, która wyraża prędkość propagacji zaburzeń elektromagnetycznych w ośrodku nieprzewodzącym, jest na podstawie równania (10) równa 1/ Kμ Jeśli ośrodkiem jest powietrze i jeśli przyjmiemy elektrostatyczny układ pomiarów, to K = 1i μ= 1/v 2, tak że V = v, czyli że prędkość propagacji jest równa liczbowo liczbie jednostek elektrostatycznych elektryczności w jednostce elektromagnetycznej. Jeśli przyjmiemy układ elektromagnetyczny, to K = 1/v 2 i μ = 1, a więc równość V = v nadal obowiązuje. Jeśli przyjmiemy teorię, że światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym rozchodzącym się w tym samym ośrodku, który przenosi inne działania elektromagnetyczne, to V powinno być prędkością światła, a więc wielkością, której wartość wyznaczono kilkoma metodami. Z drugiej strony v jest liczbą elektrostatycznych jednostek elektryczności w elektromagnetycznej jednostce elektryczności; w poprzednim rozdziale opisano metody mierzenia tej wielkości. Są one zupełnie niezależne od metod pomiaru prędkości światła. Zatem zgodność lub niezgodność wartości V i v będzie testem elektromagnetycznej teorii światła. James Clerk Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism 786

42 W poniższej tablicy są zestawione najważniejsze wyniki bezpośrednich obserwacji prędkości światła w powietrzu lub w przestrzeni międzyplanetarnej oraz najważniejsze wyniki porównywania jednostek elektrycznych: Prędkość światła w m/s Stosunek jednostek elektrycznych w m/s Fizeau Weber Aberracja i paralaksa Słońca Maxwell Foucault Thomson Jest oczywiste, że prędkość światła i stosunek jednostek są to wielkości tego samego rzędu; ale o żadnej z nich nie można jeszcze powiedzieć, że jest znana z taką dokładnością, która pozwoliłaby na stwierdzenie, że jedna z nich jest większa lub mniejsza od drugiej. Można się spodziewać, że dalsze eksperymenty pozwolą wyznaczyć z większą dokładnością stosunek wartości tych dwu wielkości. Tymczasem zaś porównanie przytoczonych wyników z pewnością nie przeczy naszej teorii, która przewiduje, że te dwie wielkości są sobie równe i podaje fizyczną przyczynę tej równości. James Clerk Maxwell, Treatise on Electricity and Magnetism, 787

43

44 W czasach kiedy byłem studentem, najbardziej fascynującym przedmiotem była teoria Maxwella. Wydawała się ona rewolucyjna, ponieważ zamiast oddziaływania na odległość wprowadzała pola jako wielkości podstawowe. Włączenie optyki do teorii elektromagnetyzmu, związek prędkości światła w próżni z absolutnym układem jednostek elektrycznych i magnetycznych oraz związek współczynnika załamania ze stałą dielektryczną, jakościowy związek między współczynnikiem odbicia ciała i jego przewodnictwem metalicznym -to było jak objawienie. Poza przejściem do teorii pola, to znaczy wyrażeniem podstawowych praw przez równania różniczkowe, Maxwell potrzebował tylko jednego jedynego hipotetycznego kroku -wprowadzenia prądu przesunięcia w próżni i dielektrykach oraz jego efektu magnetycznego, innowacji, która była niemal z góry zadana przez formalne właściwości równań różniczkowych. W związku z tym nie mogę się powstrzymać od uwagi, że parę Faraday-Maxwell cechuje niezwykłe wewnętrzne podobieństwo do pary Galileusz-Newton -w obu parach pierwszy uczony pojmował związki [między zjawiskami] intuicyjnie, a drugi wyrażał te związki ściśle i stosował je ilościowo. Albert Einstein - Autobiografia

45 Wgląd w istotę teorii elektromagnetycznej utrudniała w owych czasach osobliwa sytuacja. Elektryczne lub magnetyczne natężenia pola i przesunięcia były traktowane jako wielkości równie elementarne, a pusta przestrzeń -jako szczególny przypadek dielektryka. Nosicielem pola wydawała się materia, a nie przestrzeń. Przyjmowano zatem, że nośnik pola winien mieć prędkość i to miało się naturalnie stosować także do próżni (eteru). Hertza elektrodynamika ciał w ruchu opiera się całkowicie na tej fundamentalnej zasadzie. Albert Einstein - Autobiografia (c.d.)

46 Wielką zasługą H. A. Lorentza było, że w przekonywający sposób wprowadził tu zmianę. W zasadzie pole istnieje według niego tylko w pustej przestrzeni. Materia złożona z atomów jest jedynym nośnikiem ładunków elektrycznych; między cząstkami materialnymi jest pusta przestrzeń -nośnik pola elektromagnetycznego, które jest wytworzone przez położeniai prędkości ładunków punktowych zlokalizowanych na cząstkach materii. Właściwości dielektryczne, przewodnictwo itd., są wyznaczone wyłącznie przez rodzaj mechanicznych powiązań między cząstkami, z których składają się ciała. Ładunki cząstek wytwarzają pole, które, z drugiej strony, wywiera siły na ładunki cząstek, wyznaczając ich ruchy zgodnie z Newtona prawem ruchu. Jeśli porównamy tę koncepcję z systemem Newtona, to zmiana polega na tym, że działanie na odległość zostało zastąpione polem, które również opisuje promieniowanie. Grawitacji, ze względu na jej niewielkie znaczenie, przeważnie nie brano pod uwagę; jej włączenie było jednak zawsze możliwe przez wzbogacenie struktury pola, to znaczy przez rozszerzenie Maxwella równań pola. Fizyk obecnej generacji traktuje pogląd Lorentza jako jedyny możliwy; w owym czasie był to jednak krok zdumiewający i odważny, bez którego późniejszy rozwój nie byłby możliwy. Albert Einstein - Autobiografia (c.d.)

47 Teoria drgań świetlnych doprowadziła nas do poglądu, że w przestrzeni wolnej od jakiegokolwiek bądź ciała stałego, płynnego lub gazowego, znajdować się musi pewnego rodzaju środowisko, pośredniczące w przenoszeniu tych drgań. Środowisko to przyjęto nazywać eterem świetlnym albo kosmicznym lub po prostu eterem. Gdy po usunięciu, względnie możliwie dokładnym wypompowaniu powietrza z pewnej przestrzeni, dojdziemy do tak zwanej próżni, będziemy mieli do czynienia właśnie z eterem. W ten sposób otrzymany eter przedstawia - o ile nam dziś wiadomo - zupełnie te same własności, co i eter, wypełniający przestwory międzyplanetarne. Środowisko to - ten kosmiczny eter - posiada cechę jednorodności, mocą której uderzająco wyróżnia się od wszystkich innych ciał, bezpośrednio oddziałujących na nasze organa zmysłowe. Musi więc to być ciało zupełnie innego rodzaju. W celu zaznaczenia różnicy będziemy nadawali zwykłym ciałom miano materii i nazwy tej nie będziemy stosowali do eteru. Albo dobitniej jeszcze, będziemy mówić o materii ważkiej, tj. ulegającej sile ciążenia, w przeciwieństwie do nieważkiego eteru. Taki sposób wyrażania się jest zupełnie usprawiedliwiony, ponieważ nie posiadamy żadnych danych, które by wskazywały, że eter podlega działaniu siły ciężkości, innymi słowy, że eter jest ciałem posiadającym ciężar... Hendrik Lorentz, Poglądy i teorie fizyki współczesnej (1904)

48 ...zróbmy założenie, że w każdego rodzaju materii są obecne nadzwyczaj drobne cząsteczki, których jedna połowa posiada niezmiennie ładunki dodatnie, druga zaś tak samo ładunki ujemne... Owe drobniutkie cząsteczki, o których jest mowa, mają być najmniejsze z pośród tych, którymi zajmują się nauki przyrodnicze, mniejsze od cząsteczek (molekuł) i atomów samych... Nadajmy cząsteczkom tym, zarówno ujemnym jak i dodatnim wspólne miano elektronów, odróżniając je przymiotnikami ujemny i dodatni. Przypuśćmy dalej, że te elektryczne cząsteczki - elektrony - rozpowszechnione są we wszystkich ciałach, że żadna nawet najmniejsza cząsteczka ważkiej materii nie jest od nich wolna, że ilość ich w każdym ciele jest prawie niezliczona i że wreszcie, skoro jakieś ciało nie wykazuje objawów elektrycznych, posiada oba rodzaje elektronów w tej samej ilości. Przeciwnie zaś eter wyłączmy z pod panowania elektronów. Ma on pozostać jedynie środowiskiem (medium), które pośredniczy we wszystkich oddziaływaniach pomiędzy elektrycznie naładowanymi cząsteczkami. Należy mu jednak przypisać zgoła odmienne własności... Elektron w otaczającym go eterze wytwarza pewne zmiany stanu - zmiany określone wielkością jego ładunku i zależne także od ruchu samego elektronu. W tych zmianach stanu eteru tkwi istota wszelkich oddziaływań elektronu na sąsiednie cząstki. Zmiany te są wyrazem tego, co się dzieje w eterze dokoła ciał naelektryzowanych i magnesów. Drgający elektron będzie więc również wywoływał w eterze periodyczne zmiany. Hendrik Lorentz, Poglądy i teorie fizyki współczesnej (1904)

49 James Clerk Maxwell ( ) Heinrich Rudolf Hertz ( ) Guglielmo Marconi ( )

50 Heinrich Rudolf Hertz ( )

51 t = 0 t = λ/4c t = λ/2c t= 3λ/4c

52 Postulat Fresnela i Younga o poprzeczności drgań świetlnych zapoczątkował studia nad właściwościami hipotetycznego eteru, ośrodka, który byłby ciałem stałym o bardzo dużej sprężystości, ale przezroczystym i nie stawiającym widocznego oporu w ruchu ciał niebieskich. Autorami ważnych prac na temat właściwości eteru było wielu wybitnych uczonych: Augustin Cauchy, George Fitzgerald, George Green, Oliver Heaviside, Hermann Helmholtz, Gustav Kirchhoff, Joseph Larmor, Hendrik Lorentz, James Mac Cullagh, James Clerk Maxwell, Arnold Sommerfeld, George Stokes, William Thomson (Kelvin).

53 Alfred Daniell, Podręcznik zasad fizyki Warszawa, 1887

54 Eksperyment Michelsona - Morleya (1887) Albert Michelson ( ) Edward Morley

55 Wyniki obserwacji są przedstawione w formie graficznej na rysunku. Krzywa górna odpowiada obserwacjom w południe, a krzywa dolna obserwacjom wieczornym. Krzywe przerywane przedstawiają ósmą część przesunięcia teoretycznego. Wydaje się, że na podstawie tego rysunku można wnioskować, iż jeżeli istnieje jakiekolwiek przesunięcie spowodowane względnym ruchem Ziemi i światłonośnego eteru, to nie może ono być dużo większe niż 0,01 odległości między prążkami. Michelson i Morley, Amer. J. Sci. XXXIV, No. 203, (1887).