Развитие оптики, электричества и магнетизма в XVIII веке

было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление

электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791 - 1867).

Фарадей, будучи еще моло дым ученым, так же как и Эрстед, думал, что

все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны

превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще

до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об

открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил

злектричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к

мысли, что если «электричество создает магнетизм», то и наоборот,

«магнетизм должен создавать электричество». И вот еще в 1823 г. он записал

в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». В течение восьми

лет Фарадей работал над решением поставленной задачи. Долгое время его

преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее - открыл явление

электромагнитной индукции.

Во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для

случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной

катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения

к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в

этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается

гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил также наличие индукционного тока в катушке,

когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал

электрический ток.

Наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил

Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили

или же удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также

стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди

стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было

выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от

чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором

индуцируется электрический ток.

Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и

Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но

ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того

времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных

явлениях.

Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им по могло открытое

петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804 - 1865)

правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях

электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: «Если металлический

проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем

возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный

проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в

противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник

может перемещаться только в направлении движения или в противоположном

направлении».

Это правило очень удобно для определения направления ицдукционного

тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько

иначе, с упогребпением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не

использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что

оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона

электромагнитной индукции. Дело в том, что в атом правиле устанавливается

связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов.

Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому

установление этой связи на первых порах дало возможность определить

выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных

случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали,

был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Начало развития электротехники

Вместе с развитием и успехами учения об электромагнитных явлениях

появляется новая область техники - электротехника.

Прежде всего возникает электрический телеграф. Первый эпектромагнитный

телеграф был изобретен русским изобретателем П. Л. Шиллингом в 1832 г.

Телеграф Шиллинга состоял из передающего и принимающего устройств,

соединенных несколькими проводами. В приемном аппарате имелось шесть так

называемых мультипликаторов. Каждый мультипликатор представлял собой

проволочную катушку, внутри которой находилась магнитная стрелка,

подвешенная на нити. К нити вне катушки прикреплялась еще одна магнитная

стрелка, направление полюсов которой было противоположным направлению

полюсов первой стрелки. Такая система называется астатической, она

употребляется для того, чтобы исключить действие на стрелки магнитного поля

Земли. Помимо этого, к каждой нити был прикреплен кружок, стороны которого

были окрашены в черный и белый цвета.

Когда в катушку мупьтипликатора поступал электрический ток

определенного направления, то на стрелку, находящуюся внутри катушки,

действовала пара сил. Стрелка поворачивалась, вместе с ней поворачивался и

кружок, показывая белую или черную сторону. На приемном аппарате находилось

шесть мультипликаторов, соединенных проводниками с передающими аппаратами:

Передающий аппарат имел соответствующее число клавишей и источник

электрического тока - гальваническую батарею. При нажатии определенной

клавиши ток посылался по проводам в соответствующий мультипликатор, в

котором стрелки и кружок поворачивались в нужном направлении. Таким образом

осуществлялась передача сигналов. Из сочетания черных и белых кружков была

разработана условная азбука.

Телеграф Шиллинга употреблялся для практических целей. С его помощью

осуществлялась связь между Зимним дворцом и зданием министерства путей

сообщения в Петербурге.

Вскоре появились и другие телеграфные аппараты, отличающиеся от

аппарата Шинлинга. В 1837 г. американец Морзе сконструировал более удобный

телеграфный аппарат.

В телеграфе Морзе при замыкании ключа электрический ток поступал в

обмотку электромагнита, который притягивал висящий маятник с закрепленным

на конце карандашом, При этом конец карандаша касался бумажной ленты,

непрерывно передвигающейся с помощью специального механизма в

горизонтальном направлении перпендикулярно плоскости качания маятника.

3амыкание ключа на короткое время давало на бумажной ленте изображение

точки, а на более длительное - тире. С помощью комбинаций точек и тире

Морзе разработал специальный телеграфный код - азбуку Морзе.

В 1844 г. Морзе построил первую телеграфную линию в Америке между

Вашингтоном и Балтиморой. С этого времени началось широкое применеиие

вершенной конструкции.

Вслед за применением электричества для связи изобретательская мысль

начинает работать над задачей использования его в качестве движущей силы.

Уже в 30-х гг. XIX в. появляются изобретения различных

электродвигателей. Первый электродвигатель, применяемый для практических

целей, был изоретен в 1834 г. петербургским академиком Б. С. Якоби (1801 -

1874). В 1838 г. этот двигатель был применен для приведения в движение

лодки, которая плавала по Неве со скоростью 2 км/ч.

Предлагались и другие конструкции электрических двигателей. Однако,

так же как и двигатель Якоби, они были неудобны для практики и не получали

широкого применения. Только во второй половине XIX в. в результате работ

ряда ученых и изобретателей появился электродвигатель, который начал широко

применяться в технике.

Одновременно с электродвигателем начались попытки конструирования

генераторов электрического тока. Первые практически пригодные генераторы

электрического тока также появились только во второй половине XIX в.

3начительную роль в деле усовершенствования генераторов сыграло

применение электричества для освещения.

Начало применения электричества для освещения относится к 60-м гг.

прошлого столетия, когда дуговая лампа (т. е. электрическая дуга) была

установлена на маяках. Но применение этих ламп встречало большие трудности.

Дело в том, что дуговую лампу нужно было непрерывно регулировать, так как

концы угольных электродов сгорали, расстояние между ними увеличивалось, в

результате этого цепь разрывалась и дуга затухала.

Русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков (1847 - 1894) много

думал над усовершенствованием таких дуговых ламп и пришел к новому и

оригинальному решению этой проблемы.

Вместо обычного расположения угольных электродов в дуговой лампе, при

котором расстояние между ними менялось по мере их сгорания, Яблочков

расположил их параллельно рядом, а между ними поместил изолирующую

прокладку, которая сгорала вместе с углем. Эта конструкция получила

название свечи Яблочкова. В 1876 г. Яблочков взял патент на свое

изобретение, и оно быстро получило распространение. «Русский свет» (так

называли изобретение Яблочкова) засиял на улицах, площадях, в помещениях

многих городов Европы, Америки и даже Азии. «Из Парижа, - писал Яблочков,-

электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца

шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи»).

С начала 80-х гг. появилась лампа накаливания. Первым изобретателем

лампы накаливания был русский инженер А. Н. Лодыгин (1847 - 1923). Одна из

конструкций лампы Лодыгина представляла собой стеклянный баллон, внутри

которого в вакууме между двумя медными стержнями помещался угольный

стержень.

Уже в 1873 г. Лодыгин демонстрировал освещение своими лампами одной из

улиц Петербурга. В 1874 г. Лодыгин получил за свое изобретение

Ломоносовскую премию Академии наук.

В 1879 г. американский изобретатель Эдисон создал удачную конструкцию

лампы накаливания, и вскоре она получила распространение во всем мире.

Использование электричества для связи, в качестве движущей силы, для

освещения явилось стимулом создания электрических генераторов, изобретения

трансформаторов и т. д.

Появившаяся вместе с этим новая область техники - электротехника во

второй половине Х1Х в. приобрела важное практиче ское значение.

Все убыстряющееся развитие электротехники приводит к необходимости

совершенствования измерительной аппаратуры. Конструируются и непрерывно

совершенствуются гальванометры, амперметры, вольтметры, магазины

сопротивлений, конденсаторы и т. д.

Все это, конечно, оказывает сильное положительное влияние на развитие

научных исследований в области электромагнетизма, и развитие этой области

физических наук идет все более быстрыми темпами.

РАЗВИТИЕ ОПТИКИ

Первые шаги в развитии геометрической оптики

В оптике, так же как и в механике, первые шаги были сделаны уже в

древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики: закон

прямолинейного распространения света и закон отражения света.

К познанию этих законов древние пришли, вероятно, очень давно. Опыт

повседневной жизни: наблюдение тени, перспективы, применение метода

визирования при измерении земельных площадей и при астрономических

наблюдениях – приводил древних, во-первых, к понятию луча света, а во-

вторых, к понятию прямолинейного распространения света.

Наблюдая затем явление отражения света, в частности, в металлических

зеркалах, которые хорошо были известны в то время, древние пришли к

пониманию закона отражения света.

Указанные два закона были описаны знаменитым греческим ученым

Евклидом, жившим в III в. до нашей эры. С помощью этих законов Евклид

объяснил целый ряд наблюдаемых явлений и, в частности, явлений отражения

света от плоских и даже сферических зеркал.

Исследованием отражения света плоскими и сферическими зеркалами

занимался другой знаменитый ученый древности – Архимед, живший также в III

в. до нашей эры. Он знал свойство вогнутого сферического зеркала собирать

световые лучи в фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности:

Архимед знал, «почему вогнутые зеркала, помещенные против солнца, зажигают

подложенный трут».

Архимеду даже приписывают изобретение специальных зажигательных

устройств из вогнутых зеркал, с помощыо которых он будто бы сжег вражеский

флот. Это, конечно, легенда. Но то, что Архимед знал зажигательное свойство

вогнутого зеркала, это факт.

Ученые древности имели представление о преломлении света и даже

пытались установить закон преломления. Птолемей поставил с этой целью

специальный опыт. Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две

линейки – указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал в воду и

перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не казалась продолжением

нижней, находящейся в воде. Вынув затем диск из воды, он определял углы

падения и преломления.

Однако, хотя эксперимент Птолемея и был поставлен пра- вильно и он

получил достаточно хорошие численные значения для углов падения и

преломления, истинного закона он установить не сумел.

В средние века оптика продолжала развиваться на Востоке, а затем и в

Европе. Однако каких-либо новых существенных результатов за этот длительный

период в жизни человечества получено не было. Единственным важным

достижением за это время было изобретение в XIII в. очков. Но это

изобретение существенным образом не по- влияло на развитие теоретической

оптики.

Следующим важнейшим изобретением, сыгравшим очень большую роль в

последующем развитии оптики, было создание зрительной трубы.

Зрительная труба была изобретена не одним человеком. Возможно, что еще

великий итальянский художник Леонардо да Винчи в самом начале XVI в.

пользовался зрительной трубой.

Имеются сведения о других ученых и изобретателях, которые также пришли

к этому изобретению.

Однако решающий шаг в изобретении зрительной трубы был сделан

Галилеем.

В 1609 г. Галилей построил зрительную трубу. Свое изобретение он

использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом

целый ряд важнейших астрономических открытий, которые дали ему возможность

выступить в защиту учения Коперника. Однако Галилей не занимался

теоретическими исследованиями по оптике. Он даже не разобран теорию

действия изобретенной им зрительной трубы.

Основы теории простейших оптических инструментов разработал великий

немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 – 1630). Еще в 1604г. он написал

работу, в которой изложил основы геометрической оптики.

Он объяснил действие глаза и оптического прибора вообще, рассматривая

каждую точку предмета как источник расходящихся лучей. Хрусталик глаза,

зеркало, линза или система линз может вновь собрать эти расходящиеся лучи и

из расходящегося пучка сделать сходящийся. Причем эти лучи опятьсоберутся в

одну точку, которая будет представлять собой изображение точки предмета.

Таким образом, каждой точке изображения соответствует одна и только одна

точка предмета.

Кеплер рассматривал с этой точки зрения ход лучей в простейших

оптических приборах, в двояковыпуклой и двояковогнутой линзе, поставленных

друг за другом. Эта система линз представляла собой систему, примененную

Галилеем в его зрительной трубе – телескопе.

В 1611 г. Кеплер издал новое сочинение по оптике. В трем уче-ный

продолжал развивать теорию оптических приборов. В частности, он описал

здесь зрительную трубу, отличную от трубы Галилея, которая оказалась более

удачной. Труба Кеплера состояла из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер

только описал ее устройство, но трубы не построил. Ее сделали другие

ученые.

Разработав теорию построения изображения в оптических приборах, Кеплер

ввел новые понятии: «фокус» и «оптическая ось». Эти понятия применяются и в

настоящее время в оптике.

Следующим важным шагом в развитии оптики было открытие закона

преломления света.

Кеплер еще не знал этого закона. 3акон, которым он пользовался, был

неверным. Однако это не помешало ученому в его исследованиях. Дело в том,

что во всех случаях, которые Кеплер рассматривал, можно было считать, что

световые лучи проходит близко к главной оптической оси. При этом ввиду

малости угла

падения ? и угла преломления ? закон преломления

можно записать приближенно:

Закон, которым пользовался Кеплер для малых углов падения и

преломления, приводил к правильным результатам.

3акон преломления света был установлен голландским ученым Снеллиусом,

но он его не опубликовал. Этот закон был опубликован Декартом в 1637 г.

Теперь геометрическая оптика, фунда-мент которой заложил Кеплер, могла

развиваться дальше.

Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической

оптики

Первые представления о том, что такое свет, относятся также к

древности.

В древности представления о природе света были весьма примитивными,

фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на

разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились

три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в

последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и

волновую теории света.

Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет

как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом

одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы

ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое

число последователей. Даже такой крупнейший ученый, как Квклид,

придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон

прямолинейного распространения света, Евклид писал: «Испускаемые глазами

лучи распространяются по прямому пути». Такого же взгляда придерживался

Птолемей и многие другие ученые и философы.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света

теряет свое значение. Все менше становится ученых, следующих этим взглядам.

И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и,

достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета.

Такой точки зрения держались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в.,

оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток

каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он

рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и

тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а

как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.

Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5