Как уже было упомянуто выше, с утверждением в XVII в. механистической картины мира на протяжении следующего XVIII в. господствовала тенденция объяснять явления и процессы из области изучения других наук с точки зрения действия механических законов. Однако уже в конце XVIII – начале XIX вв. появляются результаты опытов и экспериментов, которые противоречат механике. Выходом из создавшейся ситуации стал не отказ от последней, а дополнение механистической картины мира новыми представлениями. В первую очередь, это относится к изучению электрических и магнитных явлений.

Изначально электричество и магнетизм рассматривались как невесомые, положительно и отрицательно заряженные жидкости . Кроме того, эти явления изучались обособленно друг от друга. Однако их исследование в XIX в. показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, раскрытие которой повлекло за собой создание единой электромагнитной теории. Коренное отличие новой концепции от механики состояло в следующем – если в механике изменения и движение материальных частиц совершаются с помощью внешних сил, приложенных к телу, то в электродинамике изменения совершаются под воздействием сил поля.

Решающую роль в утверждение электромагнитной теории в науке сыграли исследования датского ученого X. Эрстеда (1777-1851), английских физиков М. Фарадея (1791-1867) и Дж. Максвелла (1831-1879). X. Эрстед поместил над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку и обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. М. Фарадей, вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток – открытие явления электромагнитной индукции , которое свидетельствовало о том, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле и, следовательно, вызывает электрический ток. На основании опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых Дж. Максвелл создал свою электромагнитную теорию , т. е. теорию о существовании единого электромагнитного поля – электрическое и магнитное поля являются не изолированными объектами, а образуют взаимосвязанное, единое электромагнитное поле.

Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля. После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер.

Основные положения электромагнитной картины мира:

1. Если в пространстве возникает переменное электрическое поле, то оно порождает переменное магнитное поле, и наоборот. Переменное или движущееся поле создается только перемещающимися зарядами. Если не будет движения электрических зарядов, тогда не возникнет и магнитное поле. Следовательно, статические, не изменяющиеся в пространстве и со временем электрические и магнитные поля не создают единого электромагнитного поля. Только когда мы имеем дело с движущимися электрическими и магнитными зарядами, т.е. с переменными полями, между ними возникает взаимодействие и появляется единое электромагнитное поле.

2. Сила, возникающая под воздействием тока (электрический заряд, движущийся по проводнику ), зависит от скорости движения электрического заряда и направлена перпендикулярно к плоскости этого движения.

3. Законы описания изменения состояния электромагнитного поля во времени и в пространстве основываются на уравнениях Дж. Максвелла.

Основные отличия электромагнитной картины мира от механической:

1. В механике, зная координаты тела, его скорость и уравнение движения, можно точно определить его положение и скорость в любой точке пространства в каждый момент времени в будущем или прошлом.

В электродинамике – законы Максвелла дают возможность определить состояние электромагнитного поля в непосредственной близости с предыдущим его состоянием.

2. В механике при определении состояния движения системы опираются на представление о дальнодействии – силовое воздействие можно передать мгновенно на любое расстояние через пустое пространство (история изменения состояний изучается по траекториям движения тел).

В теории электромагнитного поля такая возможность отрицается, и поэтому она опирается на принцип близкодействия , который позволяет шаг за шагом проследить изменение электромагнитного поля с течением времени.

3. В механике изменение и движение всегда рассматривается с учетом взаимодействия самих тел, являющихся источником движения, т. е. внешней силой, вызывающей это движение.

В теории электромагнитного поля абстрагируются от подобных источников и рассматривают лишь изменение поля в пространстве с течением времени в целом. Более того, источник, создающий поле, со временем может перестать действовать, хотя порожденное им поле продолжает существовать.

Основные последствия создания электродинамики:

1. Установление глубокой внутренней связи и единства между ранее изолированными электрическими и магнитными явлениями, которые прежде рассматривались как особого рода невесомые жидкости, было выдающимся достижением в физике. Возникшее на этой основе понятие электромагнитного поля покончило с многочисленными попытками механической интерпретации электромагнитных явлений.

2. Из уравнений Максвелла вытекает следствие о существовании электромагнитных волн и скорости их распространения. Действительно, колеблющийся электрический заряд создает изменяющееся электрическое поле , которое сопровождается изменяющимся магнитным полем . В результате колебаний электрических зарядов в окружающее пространство излучается определенная энергия в виде электромагнитных волн, которые распространяются с определенной скоростью. Экспериментальными исследованиями было установлено, что скорость распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/с. Поскольку с такой же скоростью распространяется свет, постольку было логично предположить, что между электромагнитными и световыми явлениями существует определенная общность.

По вопросу о природе света до открытия электромагнитной теории Максвелла существовали две конкурирующие гипотезы: корпускулярная и волновая . Сторонники корпускулярной гипотезы, начиная с И. Ньютона, рассматривали свет как поток световых корпускул, или дискретных частиц (явления рефракции , или преломление света при переходе из одной среды в другую, и дисперсии , или разложение белого света на составляющие его цвета).

Однако корпускулярная гипотеза оказалась не в состоянии объяснить более сложные явления, такие, как интерференция и дифракция света. Под интерференцией волн понимают наложение когерентных световых волн. (опыты английского врача Т. Юнга в начале XIX в.) – иными словами, усиление или ослабление света при наложении световых волн. Дифракция – возникает при отклонении света от прямолинейного направления (наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий).

Защитники волновой гипотезы рассматривали свет как процесс распространения волн. Благодаря тому, что с помощью этой гипотезы были объяснены не только дисперсия и рефракция, но и интерференция и дифракция, волновая гипотеза света начинает в XIX в. вытеснять корпускулярную гипотезу. Решающим для утверждения волновой теории стало открытие электромагнитных волн – вследствие того, что скорость распространения последних равнялась скорости света, то ученые пришли к пониманию света как особого вида электромагнитных волн . Он отличается от обычных электромагнитных волн крайне малой величиной длины волны, которая равна 4,7 10 -5 см для видимого и 10-6 см для невидимого, ультрафиолетового света. Кроме того, световые волны, как и электромагнитные, распространяются перпендикулярно колебательному процессу и, следовательно, относятся к поперечным волнам.

Таким образом, важнейшим следствием создания электромагнитной картины мира для оптики стал, во-первых, отказ от гипотезы существования светового эфира как особой среды для распространения света – такую роль стало играть само пространство, в котором происходит распространение электромагнитных волн. Во-вторых, световые явления были объединены с электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории электромагнетизма.

3. Расширение научного представления о формах материи, изучаемых в физике. В рамках классической механики, созданной И. Ньютоном, господствовало мнение о том, что материя существует только в одной физической форме – вещества. Вещество – это система материальных частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

С созданием электромагнитной картины мира, наряду с веществом, появляется другая физическая форма материи – поле .

Основные отличия поля от вещества:

1) Главная физическая характеристика . Вещество – масса , так как именно она фигурирует в основном законе механики F = та. Поле – энергия поля .

Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля – на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени.

2) Характер передачи воздействий . В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние (принцип дальнодействия ), в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой (принцип близкодействия ).

3) Физическая природа . В основе механики лежит представление о дискретной природе вещества, которое рассматривалось как система материальных частиц или совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы. В основе электродинамики лежит представление о непрерывности материи, что представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без перерыва постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля можно убедиться, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, т. е. непрерывно.

Для классической физики XIX в. было характерно разграничивать понятия «вещество» и «поле», «дискретность» и «непрерывность». Подобное представление проистекало из того, что классическая физика применяла дискретный и корпускулярный подход при изучении одних явлений, а непрерывный и полевой – при исследовании других. В XX в. противопоставление вещества полю сменилось на осознание диалектической взаимосвязи, существующей между ними. В современной физике взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАБЕРЕЖНОЧЕЛНИНСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра: «Финансы и Бухгалтерский учет»

Реферат

на тему: «Электромагнитная картина мира»

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Набережные Челны, 2016 год.

1. Электромагнитная картина мира

2. Развитие полевой концепции описания свойства материи

3. Концепции дальнодействия и близкодействия

4. Дискретность и непрерывность материи

5. Сущность электромагнитной теории Максвелла

6. Основные черты ЭМКМ

1. Электромагнитная картина мира

В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ).

В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г. Герцем.

М. Фарадей, отказываясь от концепции дальнодействия (переносчик взаимодействия) вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязь, телевидение и т.д.). Дж. Максвелл развивает теорию электромагнитного поля, а Г. Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.

В ЭМКМ весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света.

Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж. Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.

На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.

Делаются попытки свести механическое описание явлений к описанию на основе теории электромагнитного поля. Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически строгим, хотя и очень сложным, соотношениям.

Понятие эфира (как переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге от самой концепции эфира.

Меняются представления учёных о пространстве и времени. Появляются первые работы А.Эйнштейна по теории относительности. В научных работах зарождаются новые взгляды на природу тяготения, отличные от тех, что развивались в механической картине мира.

Вселенная как бы обретает совершенно новые черты. Ученые обнаруживают «разбегание» галактик. ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.

Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э. Резерфордом. Но именно она стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.

Уже в конце XIX, начале XX века экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и мегамира, резко расходились с предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих загадочных явлений.

Не смотря на это, электромагнитная картина мира подарила нам очень многое, без чего мы не можем представить современную жизнь: способы получения и использования электрической энергии, к примеру, электрическое освещение и отопление, современные электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение). Без радиосвязи, например, уже невозможно существование современных государств, функционирование транспорта и производства, немыслимо даже повседневное общение людей.

2. Развитие полевой концепции описания свойства материи

электромагнитный дискретность непрерывность материя

В классическом представлении, как отмечалось выше, различают два вида материи: вещество и поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи (иногда его называют физическим полем). К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.

Ограничимся рассмотрением электромагнитного поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791-1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.

Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого - электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и в технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т. д.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложенной великим английским ученым Джеймсом Клерком Максвеллом идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859-1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной, теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.

Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации.

3. Концепции дальнодействия и близкодействия

Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу же после открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в данном процессе. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И. Ньютон считал невероятным и даже невозможным подобного рода взаимодействие тел.

Основоположником концепции дальнодействия является французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, данная концепция находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается через «посредника» - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции - концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

4. Дискретность и непрерывность материи

Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство). Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира - его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает - «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами - квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны - переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи - физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон-позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды - физического вакуума, покажет только будущее.

5. Сущность электромагнитной теории Максвелла

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напомнить некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории, и вытекающие из нее выводы.

Из закона Фарадея следует, что любое изменение сцепленного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции, вследствие чего появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носителей тока действуют сторонние силы, т. е. силы неэлектростатического происхождения. Поэтому закономерно возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла контур, в котором появляется ЭДС, играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь «прибором», обнаруживающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле - в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться или движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного - только токи проводимости. В данном случае электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле - с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимно связаны и образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, поскольку факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

6. Основные черты ЭМКМ

Главная исходная идея ЭМКМ - это естественнонаучный материализм, а ее ядро - теория электромагнитного поля. ЭМКМ базировалась на следующих идеях:

· Непрерывность материи (континуальность),

· Материальность электромагнитного поля,

· Неразрывность материи и движения,

· Связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство и время. В первоначальной ЭМКМ абсолютное и пустое пространство (как в МКМ) было заполнено мировым эфиром. Электромагнитное поле представлялось как колебания эфира. С неподвижным эфиром пытались связать абсолютную систему отсчета, самую простую, самую лучшую. Создание СТО привело к отказу от эфира.

Из постулатов СТО (специальная теория относительности) следовала относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, выведенных для перехода от одной ИСО (инерциамльная система отсчёта (ИСО) -- система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно, либо покоятся) к другой, следовало, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир (пространственно-временной континуум Минковского), являясь его проекциями. Свойства пространственно-временного континуума (метрика Мира, его геометрия) определяются распределением и движением материи.

Событие, происходящее с некоторой частицей, характеризуется местом, где оно произошло (т.е. совокупностью значений x, y, z), и временем, когда оно произошло. («Что? Где? Когда?»). В воображаемом четырехмерном пространстве, по осям которого откладываются пространственные координаты x, y, z и время t, событие можно изобразить точкой. Точка, изображающая событие в 4-мерном пространстве, называется мировой точкой. С течением времени мировая точка, соответствующая данной частице, перемещается в 4-мерном пространстве, описывая некоторую линию, которую называют мировой линией.

Взаимодействие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия - гравитационное и электромагнитное. В рамках этой картины Мира оба эти взаимодействия объяснялись исходя их понятия «поле». Это означало, что и то и другое взаимодействие передается с помощью промежуточной среды, т.е. поля со скоростью, равной скорости света. Таким образом, принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия. В рамках ЭМКМ А. Эйнштейном была предпринята попытка разработать единую теорию гравитационного и электромагнитного взаимодействия. После создания ОТО (общая теомрия относиительности) ученый до конца своей жизни работал над созданием единой теории поля - труд, непосильный для одного человека. (На сегодня создана теория поля, включающая три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. Включение в нее гравитационного взаимодействия до сих пор остается проблемой).

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. (Какого-либо нового понимания причинности по сравнению с МКМ не произошло. Главными считались причинно-следственные связи и динамические законы, их выражающие.) Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E=mc2). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения - массы и энергии - были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Дальнейшее развитие физики показало, что ЭМКМ имеет ограниченный характер. Главная трудность здесь заключалась в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность многих ее свойств - заряда, излучения, действия. Не удавалось объяснить соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере ЭМКМ и необходимости замены ее новой картиной мира.

Вскоре на смену ЭМКМ пришла новая - квантово-полевая картина Мира, объединившая дискретность МКМ и непрерывность ЭМКМ.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Непрерывность материи как исходный принцип миропонимания, его место в теории дифференциального исчисления. Этапы развития кинетической теории газов. История изучения атома, истоки противоречий сплошности и атомности. Темпы и развития современных идей.

реферат , добавлен 20.09.2009


Основные представители физики. Основные физические законы и концепции. Концепции классического естествознания. Атомистическая концепция строения материи. Формирование механической картины мира. Влияние физики на медицину.

реферат , добавлен 27.05.2003


Физика – фундаментальная отрасль естествознания. Механистическая картина мира - законы динамики. Электромагнитная картина мира - физика полей. Современная научная картина мира - теория относительности. Закон всемирного тяготения и принцип относительности.

презентация , добавлен 12.10.2012


Общие понятия, история открытия электромагнитной индукции. Коэффициент пропорциональности в законе электромагнитной индукции. Изменение магнитного потока на примере прибора Ленца. Индуктивность соленоида, расчет плотности энергии магнитного поля.

лекция , добавлен 10.10.2011


История становления ядерной физики в ХХ веке. Применение теоретических моделей электродинамики Максвелла и общих принципов термодинамики. Развитие молекулярно-кинетической теории. Изучение физической картины мира Галилея-Ньютона. Физический вакуум.

реферат , добавлен 25.03.2016


История открытия явления электромагнитной индукции. Исследование зависимости магнитного потока от магнитной индукции. Практическое применение явления электромагнитной индукции: радиовещание, магнитотерапия, синхрофазотроны, электрические генераторы.

реферат , добавлен 15.11.2009


Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Изучение явления электромагнитной индукции. Способы получения индукционного тока в постоянном и переменном магнитном поле. Природа электродвижущей силы электромагнитной индукции. Закон Фарадея.

презентация , добавлен 24.09.2013


Понятие научной картины мира. Фундаментальные основы новой картины мира: теория относительности; квантовая механика. Энтропия в современной картине мира. Термодинамическая, статистическая и информационная энтропия. Взаимосвязь энтропии и необратимости.

реферат , добавлен 03.06.2010


Особенности протекания экзотермических и экзоэргических процессов. Понятие материи как сущности мира и того общего, что входит в состав всех объектов природы. Исследование двойственной корпускулярно-волновой сущности микрочастиц. Теория "кипения" вакуума.

контрольная работа , добавлен 08.09.2009


Мир как не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого. Знакомство с этапами становления естественнонаучной картины мира. Анализ структуры основных материальных объектов.

Основной вклад в становление электромагнитной картины мира (ЭКМ) внесли английские ученые: М. Фарадей и Дж. Максвелл.

Экспериментальную ЭКМ создал выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) в 30-е годы XIX в. Для описания электромагнитных явлений он впервые ввел понятие поля. Электромагнитное поле, как особый вид материи, свойства и закономерности которого изучаются электродинамикой.

Экспериментальная ЭКМ , может быть охарактеризована следующими открытиями Фарадея:

1831 г. – открытие закона электромагнитной индукции;

1834 г.– открытие законов электролиза;

1837 г. – обнаружение поляризации диэлектриков;

1843 г. – экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда;

1845 г. – открытие диамагнетизма;

1846 г. – выдвижение идеи об электромагнитной природе света;

1847г. – открытие парамагнетизма.

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил теорию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию электромагнитного поля– по сути, теоретическую электромагнитную картину мира.

Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления некоторые основные идеи, лежащие в основе данной теории.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле – в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Итак, теоретическая ЭКМ Максвелла включает систему, состоящую из 20 уравнений:

Три уравнения магнитной силы;

Три уравнения электрических токов;

Три уравнения ЭДС;

Три уравнения электрической упругости;

Три уравнения электрического сопротивления;

Три уравнения полных токов;

Уравнение свободного электричества;

Уравнение непрерывности.

В подтверждении справедливости полевых представлений Фарадея-Максвелла решающую роль сыграли опыты немецкого физика Г. Герца (1857–1894), в которых были получены и исследованы электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла – наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В учении об электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т.е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью не совместим с принципом относительности Галилея.

После создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859–1906) – одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной теории. Если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

Принципы дальнодействия и близкодействия . Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность принципа дальнодействия . Сам Ньютон признавал невероятность и даже невозможность подобного рода взаимодействий тел.

Основоположник принципа дальнодействия – французский математик, физик и философ Рене Декарт. Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие принципа дальнодействия физическому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с постулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т.е. взаимодействие передается через «посредника» – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте – примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность принципа близкодействия , который распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно этому принципу взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение – посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

Дискретность и непрерывность материи. В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

Только с развитием понятия «поля», позволило понять диалектическое единство – в современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма .

Основные понятия ЭКМ: к онтинуальность материи, материальность физического поля; физическая относительность пространства и времени; непрерывность причинно-следственных связей; масса – мера инертности, тяготения и полной энергии тела; инвариантность законов физики и т.д.

Основные принципы ЭКМ : относительность Эйнштейна, постоянство скорости света, эквивалентность инерции и тяготения; соответствие между механикой и электродинамикой, причинность и др.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «РИНХ»

ФАКУЛЬТЕТ КОММЕРЦИИ И МАРКЕТИНГА

КАФЕДРА ФИЛОСОФИИ И КУЛЬТУРОЛОГИИ

на тему: «Электромагнитная картина мира»

Выполнил:

студент гр. 211 Е.В. Попов

Проверил:

Ростов – на – Дону

Введение

1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма

2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла

3. Электронная теория Лоренца

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Одной из важнейших характеристик человека, отличающей его от животного, является то, что он в своих действиях опирается на разум, на систему знаний и их оценку. Поведение людей, степень эффективности решаемых ими задач, конечно, зависит от того, насколько адекватно и глубоко их понимание реальности, в какой мере они могут правильно оценивать ту ситуацию, в которой им приходится действовать и применять свои знания.

С давних пор в человеческой жизни большое значение приобретали не только те знания, которые имели непосредственное практическое значение, но и те, которые относились к общим представлениям о природе, обществе и самом человеке. Именно последние как бы скрепляют в единое целое духовный мир людей. На их основе возникали, формировались и развивались традиции во всех сферах человеческой деятельности. Важную роль при этом играет то, как человек представляет устройство мира. Человеческое самосознание стремится представить себе окружающий мир, т.е. увидеть мысленным взором то, что называют Вселенной, и найти свое место среди окружающих вещей, определить свое положение в космической и природной иерархии. С древних времен людей беспокоят вопросы об устройстве мироздания, о возможности его познания, его практического освоения, о судьбах народов и всего человечества, о счастье и справедливости в человеческой жизни. Без стремления постичь мир в его целостности, желания понять природу и общественные явления человечество не создало бы ни науки, ни искусства, ни литературы.

Современная наука нацелена на построение единой, целостной картины мира, изображая ее как взаимосвязанную "сеть бытия". В общественном сознании исторически складываются и постепенно изменяются разные картины мира, которые обычный человек воспринимает как данность, как объективность, существующую независимо от наших личных мнений. Картина мира означает как бы зримый портрет мироздания, образно ­ понятийную копию Вселенной, взглянув на которую, можно понять и увидеть связи действительности и свое место в ней. Она подразумевает понимание того, как устроен мир, какими законами он управляется, что лежит в его основе и как он развивается. Поэтому понятие "картина мира" занимает особое место в структуре естествознания.

Картины мира отводят человеку определенное место во Вселенной и помогают ему ориентироваться в бытии. Каждая из картин мира дает свою версию того, каков мир на самом деле и какое место занимает в нем человек. Отчасти картины мира противоречат друг другу, а отчасти взаимодополнимы и способны составлять целое. С развитием науки на смену одной картине мира приходит другая. Это называют научной революцией, понимая под ней коренную ломку прежних представлений о мире. Каждая картина мира сохраняет от своих предшественниц лучшее, важнейшее, отвечающее объективному устройству Вселенной. Новая картина сложнее старой. С философской точки зрения мир есть действительность, взятая как целое, схваченная в некотором ее качественном единстве. Однако мир как целое не дан нам непосредственно, поскольку мы занимаем конкретную позицию; мы частичны и ограничены небольшим сегментом реальности.

1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма

Рассмотрим электромагнитную картину мира со времен ее зарождения. Существенный вклад в эту картину внесла физика.

Электромагнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие «электрические явления» восходит к временам Древней Греции, когда древние греки пытались объяснить явление отталкивания двух кусков янтаря, натертых тряпочкой, друг от друга, а также притягивания ими мелких предметов. Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать другие тела были известны еще в далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в XIIIв. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: этим и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

XVIII-й век, ознаменовавшийся становлением механической картины мира, фактически положил начало систематическим исследованиям электромагнитных явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор – электроскоп. В середине XVIII в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "–" для электрических зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е = 1,6*10 -19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда. Это электрон, имеющий массу m e = 9,1*10 -31 кг. Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q = ± n*e, где n – целое число. В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в XVIII – XIX вв., учеными-мыслителями был получен ряд важнейших законов, таких как:

1) закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная, т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков;

2) величина заряда не зависит от его скорости;

3) закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε = 1). Согласно этого закона силы Кулона существенны на расстояниях до 10-15 м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (так называемое сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к бесконечности.

Исследование взаимодействия зарядов, проводившееся в XIX в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку было введено понятие «электромагнитного поля». В процессе формирования этого понятия на смену механической модели «эфира» пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные "состояния" эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая­то особая среда ­ «эфир».

Доказательством этих утверждений являются работы выдающегося английского физика М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е. создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал φ.

Природа магнетизма оставалась неясной до конца XIX в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля (рис.1) силовые линии магнитного поля замкнуты (рис.2), т.е. оно является вихревым.

В течение сентября 1820 г. французский физик, химик и математик А.М. Ампер разрабатывает новый раздел науки об электричестве – электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца стали одними из важнейших открытий в области электричества. Открытый Г. Омом в 1826 г. закон, согласно которого на участке цепи I=U/R и для замкнутой цепи I = ЭДС/(R + r), а также закон Джоуля-Ленца Q = I*U*t для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t, заметно расширили понятия об электричестве и магнетизме.

Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867 гг.) придали определенную завершенность изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. Суть закона заключается в том, что изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС i = k*dФ m /dt, где dФ m /dt – скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур. С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании электромагнитного поля. Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его открытия, был Д. Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира.

2. Теория электромагнитного поля Д. Максвелла

Концепция силовых линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез другими учеными. Дело в том, что Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах» – сказал о нем А. Эйнштейн).

Блестящий математик и физик Джеймс Максвелл берет под защиту метод Фарадея, его идеи близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих трудах «О физических линиях силы» (1861-1865 гг.) и «Динамическая теория поля» (1864-1865 гг.). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые, по словам Г.Герца составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике, этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Система уравнений для электрических и магнитных полей, разработанная Максвеллом, состоит из 4-х уравнений, которые эквивалентны четырем утверждениям:

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вытекал вывод, что свет – разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Разработав электромагнитную картину мира, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

3. Электронная теория Лоренца

Голландский физик Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой – на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1897 г. был открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

Совместно с немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

1. В металле есть свободные электроны – электроны проводимости, образующие электронный газ.

2. Основание металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

3. При наличии электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается их упорядоченное движение под действием сил поля.

4. При своем движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Электронная теория позволила количественно описать многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости сопротивления металлов от температуры и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах XXв.

Заключение

Как было рассмотрено ранее, электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение всего XX в. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.

Основные ее черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах - веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие - оптические, химические, тепловые. Все в большей степени сводится к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.

В качестве элементарных "кирпичиков", из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм "примиряет" волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные "кирпичики" вещества - электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводятся к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось в дальнейшем неверным). Электрон и протон - стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, "мелочи", например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти "мелочи" являются принципиальными. Именно они и привели к "краху" электромагнитной картины мира.

Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперед в познании мира. Многие ее детали сохранились и в современной естественно­научной картине: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. Но и в этой картине мира также господствуют однозначные причинно­следственные связи, все таким же образом жестко предопределено. Вероятностные физические закономерности не признаются фундаментальными и поэтому не включаются и в нее. Эти вероятности относили к молекулам, а сами молекулы все равно следовали однозначным ньютоновским законам. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной. Таким образом, и для электромагнитной картины мира также характерна метафизичность мышления, где все четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.

Список используемой литературы

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.

2. Недельский Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М: Изд. Мысль, 1996.

3. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания.- М.: Изд. ЮНИТИ, 2005.

4. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. – М.: Изд. ЮНИТИ, 2004.

Предпосылки возникновения электромагнитной картины мира

Механистическая картина мира, согласно которой, все в природе подчиняется законам механики, с развитием физики оказалась неспособной ответить на вновь возникшие вопросы. В 19 веке в физике стали накапливаться новые эмпирические знания, которые вступали в противоречие с принципами механической картины мира. Попытки распространения методов изучения механики на изучение электричества, магнетизма и объяснение тепловых явлений привели к тому, что ученым приходилось вводить все больше искусственных допущений, что постепенно вело к крушению механической картины мира. В попытках объяснить тепловые и электромагнитные явления, вводились понятия теплорода, электрической и магнитной жидкости, которые считались особыми разновидностями материи. Ввиду того, что механические методы оказались неприемлемыми по отношению к этим явлениям, эмпирические факты пытались искусственно подогнать под рамки существующей картины мира. Вследствие этого, стало ясно, что новые факты не укладываются в рамки механической картины мира, а данные новых опытов и существующих знаний слишком противоречивы, соответственно, необходимо изменение представлений о материи, а значит, смены физической картины мира.

Принципы электромагнитной картины мира

К выводу о необходимости изменения существующих корпускулярных представлений о материи на континуальные пришел М. Фарадей, который установил, что электромагнитное поле является непрерывным, а заряды в электромагнитном поле являются точечными силовыми центрами. Вследствие этого вопрос о построении механической модели эфира оказался неактуальным.

В механической картине мира свет объяснялся при помощи понятия эфира, но в этом случае возникала большая трудность. Предполагалось, что эфир является некой сплошной средой, то есть он не должен препятствовать движению тел, соответственно, эфир похож на очень легкий газ. В экспериментах со светом было сделано два основополагающих вывода:

• Световые и электромагнитные колебания являются поперечными, а не продольными.
• Скорость распространения световых и электромагнитных колебаний очень велика.

В механике считалось, что поперечные колебания возможны в твердых телах, а скорость колебаний находится в зависимости от плотности тела. То есть, для скорости света плотность эфира должна была бы быть больше плотности стали. Тогда возникает вопрос о том, как двигаются тела.

Замечание 1

Таким образом, Фарадей выдвинул принципиально новые взгляды на материю, пространство, время и силу, что кардинальным образом меняло существовавшую картину мира. В числе первых идеи Фарадея поддержал Максвелл.

В новой картине мира совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом материи, в качестве него представлялось единое непрерывное поле с электрическими зарядами и волновыми движениями в этом поле.

Если движение в механической картине мира представлялось как простое механическое перемещение, то в электромагнитной картине мира формой движения становилось распространение колебаний в поле, которое в свою очередь объяснялось законами электродинамики, а не механики.

Существовавшая до этого концепция пространства и времени, предложенная Ньютоном, к полевым представления не подходила, так как пустого пространства поле не имеет, являясь совершенно непрерывной материей. В электромагнитной картине мира время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. То есть, в новой картине мира, в отличие от прежней, пространство и время не являются независимыми сущностями, концепция абсолютного пространства и времени сменилась реляционной концепцией.

Проблема взаимодействия также требовала принципиально нового решения. Концепция дальнодействия, предложенная Ньютоном, сменилась принципом близкодействия, который предложил Фарадей. Принцип близкодействия означает, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

В электромагнитной картине мира, так же, как и в механической, понятие случайности исключалось, предполагалось, что электромагнитные законы, так же, как механические, предопределяют развитие событий. Однако позже, с появлением кинетической теории газов, в электромагнитной картине мира появилось понятие вероятности.

Роль человека и его место во Вселенной электромагнитной картиной мира не подверглось изменению, человек воспринимался лишь как объект природы и не более того. Отношение о специфике жизни и разума оставалось неизменным.

Новая сформировавшаяся картина мира смогла объяснить много явлений, которые были непонятны с точки зрения механической картины мира. Единство мира вскрылось гораздо более глубоко, электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.

В соответствии с электромагнитной картиной мира, точечным центром является заряд, а факты указывали на конечную протяженность заряда. Ввиду этого, вопреки новой картине мира, новая электронная теория Ленца рассматривала частицу-заряд в форме заряженного, обладающего массой, шарика.

Трудности электромагнитной картины мира

Трудности новой картины мира возникли после опытов Майкельсона, проведенных в 1881-1887 гг. В ходе этих опытов Майкельсон ожидал обнаружить движение тела по инерции при помощи находящихся на этом теле приборов. Теория Максвелла предполагала, что такое движение существует, однако опыты Майкельсона этого не подтверждали. Однако, на такие неувязки не обращали внимания, так как принципы теории Максвелла были абсолютизированы, как в механической картине мира были абсолютизированы законы Ньютона.

Со временем подобных необъяснимых противоречий появлялось все больше. Противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и представлениями механистической картины мира о пространстве и времени устранил А. Эйнштейн, который ввел в существующую картину мира идею относительности пространства и времени. Это открыло новые возможности для дальнейшего развития электромагнитной картины мира.