|
Реферат: Вклад Максвелла в электротехникуРеферат: Вклад Максвелла в электротехникуМинистерство образования РФ Уральский государственный технический университет Нижнетагильский институт Кафедра "Автоматизация технологических процессов и систем" Реферат по дисциплине "История электротехники" на тему: "Вклад Максвелла в электротехнику" Выполнила: студентка гр. 144 Л.В. Глушкова Проверил: В.Л. Тимофеев Н-Тагил 1999
СодержаниеСодержание.....................................................................2 Введение.......................................................................3 Динамическая теория электромагнитного поля................ 6 Общие уравнения электромагнитного поля.................... 12 Электромагнитные волны.................................................. 14 Электромагнитная теория света........................................ 15 Библиографический список.............................................. 18
Введение Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831г. в Эдинбурге, в семье юриста - обладателя поместья в Шотландии. В мальчике рано проявились любовь к технике и стремление постичь окружающий мир. Большое влияние на него оказал отец - высокообразованный человек, глубоко интересовавшийся проблемами естествознания и техники. В школе Максвелла увлекала геометрия, и первой его научной работой, выполненной в пятнадцать лет, было открытие простого, но не известного способа вычерчивания овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование сначала в Эдинбургском, а затем в Кембриджском университетах. В 1856 г. молодого, подающего надежды ученого приглашают на преподавательскую работу в качестве профессора колледжа шотландского города Абердина. Здесь Максвелл увлеченно работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще решает загадку колец Сатурна, математически доказав, что они образованы из отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять кафедру в Королевском колледже в Лондоне. Лондонский период (1860-1865) был самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до завершения теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов. В 1871 г. Кембридский университет предлагает своему бывшему студенту возглавить вновь образованную кафедру экспериментальной физики с условием создания при ней научно-исследовательской лаборатории. До конца жизни (Максвелл скончался 5 ноября 1879 г.) всю свою энергию ученый отдает строительству и организации физической лаборатории, названной в честь Г. Кавендиша и ставшей впоследствии одной из самых знаменитых физических лабораторий мира. Еще в студенческие годы Максвелл знакомится с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Фарадея, и этот труд захватывает его. Позднее он вспоминал: «Прежде чем начать изучение электричества, я принял решение не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения фарадеевских «Экспериментальных исследований по электричеству». Я был осведомлен, что высказывалось мнение о различии между фарадеевским методом понимания явлений и методами математиков, так что ни Фарадей, ни математики не было удовлетворены языком друг друга». Таким образом, Максвелл решил с самого начала не поддаваться гипнозу метематически совершенных работ А.-М. Ампера, Ф. Неймана и других представителей концепции дальнодействия электромагнитных сил. Он первым осознал глубину рассуждений Фарадея и интуитивно почувствовал в его идее о силовых линиях решение Проблем электродинамики. Почти всю свою творческую жизнь Максвелл планомерно, шаг за шагом, развивал идею о поле. На первом этапе исследований он убеждается в том, что теория дальнодействия не способна последовательно и непротиворечиво объяснить электромагнитные явления. Следуя Фарадею, Максвелл разрабатывает гидродинамическую модель силовых линий. Широко пользуясь механическими аналогиями, он выражает известные соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Этот математический аппарат он заимствует из работ ирландского математика У. Р. Гамильтона. Основные результаты этого этапа исследований отражены в первой большой работе Максвелла «О фарадеевских линиях сил», которая была написана в 1855 г., а опубликована позднее. В дальнейшем на смену гидродинамическим приходят модели-аналоги теории упругости. Работая с такими понятиями, как натяжение, деформация, давление, вихри, Максвелл непостижимым для нас образом приходит к уравнениям поля, еще не приведенным на данном этапе в единую систему. Рассматривая электрические явления в диэлектриках, он выдвигает гипотезу о токах смещения. В общем виде высказывается мысль о связи света с электротоническим состоянием (первоначально Максвелл пользуется этим термином Фарадея для обозначения поля). Этот этап работы отражен в труде «О физических линиях сил», который печатался по частям в течение 1861—1862 гг. Заключительный этап электродинамических исследований Максвелла характеризуется синтезом электромагнетизма и оптики. Ученый приходит к ясному определению электромагнитного поля как вида материи, выражая все его проявления с помощью систем из двадцати уравнений. (Впоследствии О. Хевисайд и Г. Герц приведут систему уравнений Максвелла к более простому виду, принятому в наши дни.) На основании своей теории Максвелл решает и конкретные задачи: определяет показатель преломления тел (n = ), рассчитывает коэффициенты самоиндукции катушки и взаимной индукции двух круговых токов. Самому Максвеллу казалось, что он создал механику эфира — всепроникающей среды, которую можно принять за абсолютно неподвижную систему отсчета. Он, таким образом, стимулировал попытки ученых уловить «неподвижный эфир», предложив свою собственную идею опыта по его обнаружению. Опыт был осуществлен в 1887 г. А. Майкельсоном и Э. Морли и, как известно, дал отрицательный результат. Выход был найден А. Эйнштейном в специальной теории относительности, которая оказалась в полном соответствии с электродинамикой Максвелла. Ученый, исходя из уравнений поля, предсказал существование поперечных электромагнитных волн, распространяющихся по скоростью света. Этот завершающий этап был отражен в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», изданной в 1864 г. Итог работы Максвелла по электродинамике подвел его знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873). При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания: она считалась непонятной, математически нестрогой логически необоснованной. Лишь после работ Г. Герца, доказавшего существование электромагнитных волн, и опытов П. Н. Лебедева, в которых было измерено давление света, предсказанное Максвеллом, его теория завоевала признание среди ученых.
Динамическая теория электромагнитного поляЭлектромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии. Это пространство может быть наполнено любым родом материи, или мы можем попытаться удалить из нее всю плотную материю, как в трубках Гейсслера или в других, так называемых вакуумных трубках. Однако всегда имеется достаточное количество материи для того, чтобы воспринимать и передавать волновые движения света и тепла. И так как передача излучений не слишком сильно изменяется, если так называемый вакуум заменить прозрачными телами с заметной плотностью, то допускается, что эти волновые движения относятся к эфирной субстанции, а не к плотной материи, присутствие которой только в какой-то мере изменяет движение эфира. Поэтому имеется некоторое основание предполагать, исходя из явлений света и тепла, что имеется какая-то эфирная среда, заполняющая пространство и пронизывающая все тела, которая обладает способностью приводиться в движение, передавать это движение от одной своей части к другой и сообщать это движение плотной материи, нагревая ее и воздействуя на нее разнообразными способами. Энергия, сообщенная телу нагреванием, должна была ранее существовать в движущейся среде, ибо волновые движения оставили источник тепла за некоторое время до того, как они достигли самого нагреваемого тела, и в течение этого времени энергия должна была существовать наполовину в форме движения среды и наполовину в форме упругого напряжения. Исходя из этих соображений, профессор В. Томсон доказал, что эта среда должна обладать плотностью, сравнимой с плотностью обычной материи, и даже определил нижнюю границу этой плотности. Поэтому мы можем как данное, выведенное из отрасли науки, независимой от той, с которой мы (в рассматриваемом случае) имеем дело, принять существование проникающей среды, обладающей малой, но реальной плотностью и способностью приводиться в движение и передавать движения от одной части к другой с большой, но не бесконечной скоростью. Следовательно, части этой среды должны быть так связаны, что движение одной части каким-то способом зависит от движения остальных частей, и в то же время эти связи должны быть способны к определенному роду упругого смещения, поскольку сообщение движения не является мгновенным, а требует времени. Поэтому эта среда обладает способностью получать и сохранять два вида энергии, а именно: «актуальную» энергию, зависящую от движения ее частей, и «потенциальную» энергию, представляющую собой работу, которую среда выполнит вследствие своей упругости, возвращаясь к первоначальному состоянию, после того смещения, которое она испытала. Распространение колебаний состоит в непрерывном преобразовании одной из этих форм энергии в другую попеременно, и в любой момент энергия во всей среде разделена поровну, так что половина энергии является энергией движения, а другая половина — энергией упругого напряжения. Среда, имеющая такого рода структуру, может быть способна к другим видам движения и смещения, чем те, которые обусловливают явления света и тепла; некоторые из них могут быть таковы, что они воспринимаются нашими чувствами при посредстве тех явлений, которые они производят. Сейчас мы знаем, что светоносная среда в отдельных случаях испытывает действие магнетизма, так как Фарадей открыл, что когда плоскополяризованный луч проходит через прозрачную диамагнитную среду в направлении магнитных силовых линий, образуемых магнитами или токами, то плоскость поляризации начинает вращаться. Это вращение всегда происходит в том направлении, в котором положительное электричество должно проходить вокруг диамагнитного тела для того, чтобы образовать действующее магнитное поле. Верде с тех пор открыл, что если заменить диамагнитное тело парамагнитным, например раствором треххлористого железа в эфире, то вращение происходит в обратном направлении. Профессор В. Томсон указал, что никакое распределение сил, действующих между частями какой-либо среды, единственным движением которой является движение световых колебаний, недостаточно для объяснения этих явлений, но что должно допускаться существование в среде движения, зависящего от намагничивания, в дополнение к тому колебательному движению, которое представляет собой свет. Совершенно правильно, что вращение плоскости поляризации вследствие магнитного воздействия наблюдалось только в средах, обладающих заметной плотностью. Но свойства магнитного поля не так уж сильно изменяются при замене одной среды другой или вакуумом, чтобы допустить, что плотная среда делает нечто большее, чем простое изменение движения эфира. Поэтому имеем ставтся вопрос: не происходит ли движение эфирной среды везде, где бы ни наблюдались магнитные эффекты? Предполагается, что это движение является движением вращения, имеющим своей осью направление магнитной силы. Рассмотрим другое явление, наблюдаемое в электромагнитном поле. Когда тело движется, пересекая линии магнитной силы, оно испытывает то, что называют электродвижущей силой; два противоположных конца тела электризуются противоположно, и электрический ток стремится пройти через тело. Когда электродвижущая сила достаточно велика и действует на некоторые химически сложные тела, она их разлагает и заставляет одну из компонент направляться к одному концу тела, а другую — в противоположную сторону. В данном случае имеется очевидное проявление силы, вызывающей электрический ток вопреки сопротивлению и электризующей концы тела противоположным образом. Это особое состояние тела поддерживается только воздействием электродвижущей силы, и, как только эта сила устраняется, оно стремится с равной и противоположно направленной силой вызывать обратный ток через тело и восстановить его первоначальное электрическое состояние. Наконец, если эта сила достаточно велика, она разлагает химические соединения и перемещает компоненты в двух противоположных направлениях, в то время как их естественной тенденцией является тенденция к взаимному соединению с такой силой, которая может породить электродвижущую силу обратного направления. Эта сила, следовательно, является силой, воздействующей на тело вследствие его движения через электромагнитное поле или вследствие изменений, возникающих в самом этом поле. Действие этой силы проявляется или в порождении тока и нагревании тела, или в разложении тела, или если она не может сделать ни того, ни другого, то в приведении тела в состояние электрической поляризации — состояние вынужденное, при котором концы тела наэлектризованы противоположно и от которого тело стремится освободиться, как только будет удалена возмущающая сила. Согласно предлагаемой теории, эта электродвижущая сила является силой, возникающей при передаче движения от одной части среды к другой, так что именно благодаря этой силе движение одной части вызывает движение другой. Когда электродвижущая сила действует вдоль проводящего контура, она производит ток, который в том случае, если он встречает сопротивление, вызывает постоянное превращение электрической энергии в тепло; последнее уже нельзя восстановить в форме электрической энергии каким-либо обращением процесса. Но когда электродвижущая сила действует на диэлектрик, она создает состояние поляризации его частей, которое аналогично поляризации частей массы железа под влиянием магнита и которое, подобно магнитной поляризации, может быть описано как состояние, в котором каждая частица имеет противоположные концы в противоположных состояниях. В диэлектрике, находящемся под действием электродвижущей силы, мы можем представлять, что электричество в каждой молекуле так смещено, что одна сторона молекулы делается положительно наэлектризованной, а другая — отрицательно наэлектризованной, однако электричество остается полностью связанным с молекулами и не переходит от одной молекулы к другой. Эффект этого воздействия на всю массу диэлектрика выражается в общем смещении электричества в определенном направлении. Это смещение не равноценно току, потому что, когда оно достигает определенной степени, то остается неизменным, но оно есть начало тока и его изменения образуют токи в положительном или отрицательном направлениях сообразно тому, увеличивается или уменьшается смещение. Внутри диэлектрика нет признаков какой-либо электризации, так как электризация поверхности любой молекулы нейтрализуется электризацией поверхности молекулы, находящейся в соприкосновении с ней. На граничной поверхности диэлектрика, где электризация не нейтрализуется, мы обнаруживаем явления, указывающие на положительную или отрицательную электризацию этой поверхности. Отношение между электродвижущей силой и электрическим смещением, которое она вызывает, зависит от природы диэлектрика, причем та же самая электродвижущая сила обычно производит большее электрическое смещение в твердых диэлектриках, например в стекле или сере, чем в воздухе. Здесь, таким образом, усматривается еще один эффект электродвижущей силы, а именно электрическое смещение, которое, согласно теории, является некоторым родом упругой податливости действию силы, похожей на ту, которая имеется в сооружениях и машинах из-за неполной жесткости связей. Практическое исследование индуктивной емкости диэлектриков делается затруднительным вследствие двух мешающих явлений. Первое заключается в проводимости диэлектрика, которая, будучи во многих случаях исключительно малой, тем не менее не является совершенно неощутимой. Второе — явление, называемое электрической абсорбцией и состоящее в том, что, когда диэлектрик подвергается воздействию электродвижущей силы, электрическое смещение постепенно увеличивается, а если электродвижущая сила устраняется, диэлектрик не возвращается моментально в свое первоначальное состояние, но разряжает только часть сообщенной ему электризации и, предоставленный самому себе, постепенно приобретает электризацию на своей поверхности, тогда как внутренность диэлектрика постепенно деполяризуется. Почти все твердые диэлектрики обнаруживают это явление, которое объясняет остаточный заряд лейденской банки и некоторые явления в электрических кабелях, описанных Ф. Дженкином. Встречаемся здесь с двумя другими родами податливости, отличными от упругости идеального диэлектрика, которую сравнивали с идеально упругим телом. Податливость, относящуюся к проводимостям, можно сравнить с податливостью вязкой жидкости (иначе говоря, жидкости, имеющей большое внутреннее трение) или мягкого тела, в котором малейшая сила производит постоянное изменение формы, увеличивающееся вместе со временем действия силы. Податливость, связанная с явлением электрической абсорбции, может быть сравнена с податливостью упругого тела клеточной структуры, содержащего густую жидкость в своих полостях. Такое тело, подвергнутое давлению, сжимается постепенно, а когда давление устраняется, тело не сразу принимает свою прежнюю форму, потому что упругость материи тела должна постепенно преодолеть вязкость жидкости, прежде чем восстановится полное равновесие. Некоторые твердые тела, хотя и не имеют той структуры, о которой говорилось выше, обнаруживают механические свойства такого рода, и вполне возможно, что эти же самые вещества в качестве диэлектриков обладают аналогичными электрическими свойствами, а если они являются магнитными веществами, то обладают соответствующими свойствами, относящимися к приобретению, удерживанию и потере магнитной полярности. Поэтому кажется, что некоторые явления электричества и магнетизма приводят к тем же заключениям, как и оптические явления, а именно: что имеется эфирная среда, проникающая во все тела и изменяемая только в некоторой степени их присутствием; что части этой среды обладают способностью быть приведенными в движение электрическими токами и магнитами; что это движение сообщается от одной части среды к другой при помощи сил, возникающих от связей этих частей; что под действием этих сил возникает определенное смещение, зависящее от упругости этих связей, и что вследствие этого энергия в среде может существовать только в двух различных формах, одна из которых является актуальной энергией движения частей среды, а другая — потенциальной энергией, обусловленной связями частей в силу их упругости. Отсюда пришли к концепции сложного механизма способного к обширному разнообразию движений, но в то же самое время связанного так, что движение одной части зависит согласно определенным отношениям, от движения других частей, причем эти движения сообщаются силами, возникающими из относительного смещения связанных между собой частей вследствие упругости связей. Такой механизм должен подчиняться общим законам динамики, и мы должны вывести все следствия этого движения, предполагая, что известна форма отношения между движениями частей.
Общие уравнения электромагнитного поляВ эти уравнения электромагнитного поля входят 20 переменных величин, а именно: Для электромагнитного количества движения .......F, G, H ¨ магнитной интенсивности [напряженности] ... ¨ электродвижущей силы ...........P, Q, R ¨ тока, обусловленного (истинной) проводимостью .p, q, r ¨ электрического смещения ..........f, g, h ¨ полного тока (включая изменения смещения) ..p', q', r' ¨ количества свободного электричества .......е ¨ электрического потенциала ........... Между этими 20-ю переменными величинами нашли 20 уравнений, а именно: Три уравнения магнитной силы .........(B) q электрических токов .........(С) q электродвижущей силы ........(D) q электрической упругости ........(Е) q электрического сопротивления .....(F) q полных токов ..............(A) Одно уравнение свободного электричества ....(С) q непрерывности ............(Н) Этих уравнений, следовательно, достаточно, чтобы определить все величины, встречающиеся в них, если только мы знаем условия задачи. Во многих вопросах, однако, требуются только некоторые из этих уравнений. Всякая энергия есть то же, что механическая энергия, существует ли она в форме обычного движения, или в форме упругости, или в какой-нибудь другой форме. Энергия в электромагнитных явлениях — это механическая энергия. Единственный вопрос заключается в том, где она находится. Согласно старым теориям, она находится в наэлектризованных телах, проводящих цепях и магнитах в форме неизвестного качества, называемого потенциальной энергией или способностью производить определенные действия на расстоянии. По теории Максвелла, она находится в электромагнитном поле, в пространстве, окружающем наэлектризованные и намагниченные тела, а также и в самых этих телах и проявляется в двух различных формах, которые могут быть описаны без гипотез как магнитная поляризация и электрическая поляризация или, согласно весьма вероятной гипотезе, как движение и напряжение одной и той же среды. Заключения, к которым пришли, независимы от этой гипотезы, так как они выделены из экспериментальных фактов троякого рода: 1) индукция электрических токов путем увеличения или уменьшения силы соседних токов сообразно изменениям в силовых линиях, пронизывающих контур; 2) распределение магнитной напряженности сообразно изменениям магнитного потенциала; 3) индукция (или влияние) статического электричества через диэлектрики.
Электромагнитные волныОднако уравнения Максвелла сделали еще больше: исходя из их формы, можно было установить, что они пригодны для выражения волнового электромагнитного возмущения, передающегося предположительно со скоростью, близкой к скорости света. XIX век уже был свидетелем великого переворота, в идеях о природе света. Однако если огненные частицы уже не были больше нужны, то все же требовалась какая-то среда, которая должна была передавать волны даже через обширную пустоту пространства, и «светоносный эфир», обладавший несовместимыми свойствами высокой степени разреженности и одновременно высокой упругости, должен был выполнять роль подлежащего сказуемого «колебаться». Однако давно известно также и то, что электричество и магнетизм могут передаваться через пустое пространство. Для них были созданы одинаково неосязаемые поля. Максвелл действительно показал, что один-единственный, но все еще таинственный эфир пригоден для всех трех случаев. Он добился большой лаконичности и упрощения физики, что вскоре должны было иметь весьма важные последствия. Одним из них было установление нового единства между различными отделами науки: вся теория света представала теперь как явление электромагнетизма. Другим следствием явился вывод, что электромагнитные колебания должны посылать в эфир волны, подобные световым, однако со значительно меньшими частотами. С уравнениями Максвелла теория электричества, казалось, приняла настолько законченный характер, что будущее физики как будто содержало возможности только для ее расширения и усовершенствования. Фактически, как мы увидим в следующей главе, теория эта охватывала лишь небольшую часть всех явлений – их этих уравнений совершенно выпала.
Электромагнитная теория светаВажнейшим достижением периода конца XIX века в области физики явилось выдвижение Максвеллом электромагнитной теории света. Тем самым были обобщены в одной всеобъемлющей теории и получили простую математическую формулу результаты опытов и теоретических построений двух поколений физиков в различных областях этой науки – электричестве, магнетизме и оптике. Хотя такое обобщение само по себе и представляло победу математической физики, все же оно нуждалось для своего подтверждения в установлении точных единиц для измерения электричества – задача, которая была поставлена возникновением электротехнической промышленности. В свою очередь уравнения Максвелла должны были составить теоретическую базу будущего электромашиностроения, представлявшего собой сложную взаимозависимость теории и практики. В начале пользовались оптической гипотезой упругой среды, через которую распространяются колебания света, чтобы показать, что имеются серьезные основания искать в этой же среде причину других явлений в той же мере, как и причину световых явлений. Мы рассмотрели электромагнитные явления, пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела. Таким путем пришли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля. Исследовалось, являются ли свойства того, что составляет электромагнитное поле которые выведены только из электромагнитных явлений, достаточными для объяснения распространения света через ту же самую субстанцию. Единственной средой, в которой производились опыты для определения значения k , был воздух, в котором равно единице, откуда имеется V=v. Согласно электромагнитным опытам Вебера и Кольрауша, v== 310740000 м/с является количеством электростатических единиц в одной электромагнитной единице электричества, и это, согласно нашему результату, должно быть равно скорости света в воздухе или вакууме. Скорость света в воздухе по опытам Физо равна V = 314 858 000 [м/с], а согласно более точным опытам Фуко, V = 298 000 000 [м/с]. Скорость света в пространстве, окружающем Землю, выведенная из коэффициента аберрации и из радиуса земной орбиты, равна V = 308 000 000 [м/с]. Следовательно, скорость света, определенная экспериментально, достаточно хорошо совпадает с величиной v, выведенной из единственного ряда экспериментов, которыми мы до сих пор располагаем. Значение v было определено путем измерения электродвижущей силы, используемой для зарядки конденсатора известной емкости, который затем разряжается через гальванометр, чтобы выразить количество электричества в нем в электромагнитных единицах. Единственным применением света в этих опытах было использование его для того, чтобы видеть инструменты. Значение V, найденное Фуко, было получено путем определения угла, на который поворачивается вращающееся зеркало, пока отраженный им свет прошел туда и обратно вдоль измеренного пути. При этом не пользовались каким-либо образом электричеством и магнетизмом. Совпадение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции и что свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма. Уравнения электромагнитного поля, выведенные из чисто экспериментальных фактов, показывают, что могут распространяться только поперечные колебания. Если выйти за пределы нашего экспериментального знания и предположить определенную плотность субстанции, которую мы могли бы назвать электрической жидкостью, и выбрать стеклянное или смоляное электричество в качестве представителей этой жидкости, тогда мы могли бы иметь продольные колебания, распространяющиеся со скоростью, зависящей от этой плотности. Однако мы не имеем никаких данных, относящихся к плотности электричества, и мы даже не знаем, считать ли нам стеклянное электричество субстанцией или отсутствием субстанции. Следовательно, наука об электромагнетизме ведет к совершенно таким же заключениям, как и оптика в отношении направления возмущений, которые могут распространяться через поле; обе эти науки утверждают поперечность этих колебаний и обе дают ту же самую скорость распространения. С другой стороны, обе науки бессильны, когда к ним обращаются с вопросом о подтверждении или отрицании существования продольных колебаний.
Библиографический список1. Большая советская энциклопедия. Издательство "Советская энциклопедия", М., 1974. 2. Дж. Бернал. Наука в истории общества. Издательство иностранной литературы, М., 1956. 3. Г.М. Голин, С.Р. Филонович. Классики физической науки. "Высшая школа". М., 1989. |
 |
||||||||||||||||||
| ©2011 |
