Фарадей и концепция поля

В 1812 г., в Лондоне, 21-летний ученик переплетчика представился знаменитому Хэмфри Дэви Хемфри Дэви (Humphry Davy, 1778 -1829 гг.) — знаменитый английский химик и физик, первооткрыватель многих химических элементов.- прим перев., который искал ассистента для проведения химических исследований. В качестве рекомендаций Фарадей предъявил собственноручно записанный и переплетенный конспект нескольких публичных лекций Дэви. Этого оказалось вполне достаточно, поскольку конспект показывал, что Фарадей полностью соответствует социальной идеологии учреждения, директором лаборатории которого был Дэви.

Королевский Институт существует и по сей день: http://www.rigb.org. Институт был основан, как записано в его уставе для «.распространения познания и облегчения широкого введения полезных механических изобретений и усовершенствований и обучения посредством курсов философских лекций и экспериментов приложению науки к общим целям жизни». — прим перев был основан графом Румфордом Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (Sir Benjamin Thompson, Count Rumford, 1753 — 1814 гг.) — англо-американский ученый и изобретательприм перев. в 1799 г. с целью улучшить положение британских рабочих путем внедрения в их среду научных знаний. По замыслу, Институт должен был стать местом для научных исследований, а также поощрять самосовершенствование рабочих путем самообразования, и, тем самым, поднимать уровень жизни рабочих. Лондонский средний класс считал благотворительные учреждения такого типа менее дорогостоящими, чем приличные школы для детей рабочих и высокие зарплаты для их родителей. Фарадей, как живое воплощение идеалов Королевского Института, просто не мог пройти мимо рук Дэви.

Почти сразу стало очевидно, что Фарадей — талантливый и самостоятельный ученый. Постепенно он завоевал независимость от Дэви и, в возрасте 34 лет сменил его на должности директора лаборатории. Вскоре после этого он оставил химию и целиком посвятил себя электрическим исследованиям.

Хотя Фарадей и не получил никакого систематического образования скромные доходы семьи не позволили Майклу окончить даже среднюю школу — прим перев., в науке он был изощрен и тонок. Он был очень начитан, и хорошо знаком со всеми направлениями естественной философии (натурфилософии). Фарадей не разделял доминировавшего тогда в науке строгого ньютонианства и находился под сильным влиянием идей Руджера Иосипа Бошковича Руджер Иосип Бошкович (1711 -1787 гг.) — сербский ученый, физик, математик, астроном, священник-иезуит. Создал оригинальную атомистическую теорию, рассматриваяющуя атом как центр силы. — прим перев, уроженца Рагузы (ныне Дубровник) на далматинском побережье Средиземноморья.

Бошкович, современник Франклина, утверждал, что нет никакой необходимости различать понятия силы и материи. Отдельные атомы веществаэто просто центры сил. Эта идея является центральной и во многих современных рассуждениях о природе материи. Фарадей продвинул эту точку зрения ещё на один шаг вперёд: если сила действительно является конечной реальностью, то, был уверен он, это должно быть основано на чем-то более вещественном чем ньютоновское действие на расстоянии (см. Главы 3 и 4).

Фарадей считал, что пространство между взаимодействующими объектами чем-то заполнено. Это что-то он назвал полем. Поле служит для того, чтобы передавать силу воздействия одного тела на другое. Чтобы помочь визуализировать поле, он создал наглядный метод, связанный с использованием силовых линий поля (см. рис. 6. 2).

Эти линии двояко представляют силу: во-первых, направление силы в любой точке пространства совпадает с направлением силовой линии, и, во вторых, величина силы поля (то есть его напряженность) больше там, где силовые линии идут гуще, ближе друг к другу Абсолютная величина (модуль) напряженности («силы») поля равна плотности силовых линий, то есть числу силовых линий, пересекающих площадку единичной площади (например 1 м²), установленную перпендикулярно силовым линиям. — прим. перев.. Абсолютное число линий поля на рисунке, произвольно, но важно их относительное число в разных областях рисунка. Когда заряд неподвижен, то сила, действующая на другой, пробный, заряд, вводимый в область поля, может быть оценена по картине силовых линий поля.

Вся сила этого графического метода не очень очевидна, когда мы имеем дело с одиночным зарядом. На рис. 6−3 изображены силовые линии более сложного электрического поля, создаваемого системой двух зарядов противоположного знака Система из двух одинаковых зарядов противоположного знака называется диполем — прим перев. На этом же рисунке показано, как с помощью обычного сложения векторов (по принципу суперпозиции полей) может быть определена сила, действующая в этом поле на некий третий (пробный) заряд. В ситуации, изображенной на рис. 6−3, использовано одно из правил построения силовых линий электрического поля: они начинаются на положительных зарядах, а заканчиваются на отрицательных. Когда рассматриваются ещё более сложные варианты расположения зарядов, ценность силовых линий, как средства визуализации поля, становится ещё более очевидной.

Заметим, что картина силовых линий одиночного заряда (рис. 6−2) позволяет легко дать естественное объяснение обсужденного в конце Главы 4 обратно-квадратичного закона зависимости силы от расстояния.

Мощь фарадеевской концепции поля становится ещё более очевидной, когда мы переходим от электричества к магнетизму. Непростая для понимания магнитная сила, не является просто силой отталкивания или притяжения.

Прежде всего отметим, что магнитные поля создаются только движущимися зарядами: если заряды неподвижны, то вокруг них нет магнитного поля. Самый простой пример — это магнитное поле постоянного электрического тока, показанное на рис. 6−4. Силовые линии не выходят из проводника с током, а образуют кольца вокруг него.

Сложности здесь не заканчиваются. Магнитное поле и действует только на движущиеся заряды. Направление магнитной силы не совпадает с направлением силовых линий магнитного поля, а перпендикулярно (!) и направлению силовой линии и направлению движения заряда. Таким образом, заряд, движущийся по направлению к проводнику с током, будет отклоняться вдоль провода; а заряд, движущийся параллельно проводу будет.

притягиваться или отталкиваться от него, в зависимости от знака заряда + или -. Ясно, что трудно визуализировать все эти геометрические сложности на основе одной только формулы для магнитной силы или же придумать естественное объяснение всего этого в терминах ньютоновского дальнодействия (действия на расстоянии).

Нужно заметить, что эти два подхода: поле и действие на расстоянии, полностью эквивалентны, пока поле остается постоянным во времени.

К точке зрения Фарадея научная общественность относилась очень спокойно до тех пор, пока его идеи о поле не были углублены и расширены очень искушенным в математике британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом Джеймс Клерк Максвелл (1831 -1879 гг.) — знаменитый британский физик, автор знаменитых «Уравнений Максвелла».- - прим перев.

Изучая открытые Фарадеем взаимосвязи электрических и магнитных полей с тем, чтобы поставить их на прочную математическую основу, Максвелл обнаружил поразительное обстоятельство. Если заряды, создающие поле движутся или исчезают, то эффекты этих изменений не будут мгновенно переданы удаленному заряду — вместо этого в пространстве будут распространяться изменения поля, с высокой, но конечной скоростью (со скоростью света).

Это открытие Максвелла дало возможность наполнить реальным содержанием само понятие поля. Рассмотрим для примера два взаимодействующих заряда, показанных на рис. 6−5. Сместим заряд A вправо. Так как заряд A реагирует на поле неподвижного заряда B, то сила, действующая на заряд A, будет всё время указывать на B. Но заряд B в течение короткого времени «не знает», что заряд A сместился, поэтому сила, действующая на заряд B, в течение первых мгновений продолжает указывать туда, где заряд A был ранее!

Кажется, будто мы обнаружили, что электрические силы нарушают, по крайней мере на время, третий закон Ньютона: действительно, ведь силы, с которыми действуют друг на друга два заряженных тела не противоположны! Дальнейшие пагубные последствия этого вполне очевидны. Если оба заряда свободны (то есть могут перемещаться в пространстве), то их суммарный импульс не будет сохраняться, — ведь, если силы их взаимодействия не противоположны, то их векторная сумма не будет равна нулю, и мы получим в итоге увеличение суммарного импульса.

Так должны ли мы из-за этого, имея дело с электрическим и магнитным полями, отказаться от использования законов Ньютона и закона сохранения импульса? Ни в коем случае! Максвелл и его преемники оказались в состоянии показать, что, когда электрический заряд движется, то требуется дополнительная сила сверх той, которая необходима для ускорения незаряженной частицы. Эта сила — следствие взаимодействия заряда с его собственным полем, и она не зависит от того, присутствуют ли рядом другие заряды. В таком процессе действуют силы, которые передают импульс непосредственно полю, и работа этих сил совершается над полем. Импульс и энергия, переданные полю, переносятся со скоростью света и вполне могут быть восстановлены где-то в другом месте другими зарядами. Рис. 6−5 свидетельствует о нарушении законов Ньютона только в том случае, если мы рассматриваем пустое пространство, содержащее только тела A и B. Но на самом деле это пространство заполнено полем, которое переносит энергию и импульс и оказывает весьма реальное воздействие на ускоренно движущиеся заряды. Если подробно рассмотреть взаимодействие каждого заряда с полем, то обнаружится, что и законы Ньютона, и законы сохранения импульса и энергии, выполняются во всей их строгости.

Важнейшая функция понятия поля заключается в том, что оно позволяет наполнить реальным содержанием понятие потенциальной энергии, которую мы в контексте предыдущей главы рассматривали просто как некую математическую абстракцию. Максвелл сумел показать, что если существует поле, то обязательно существует и связанная с этим полем энергия, распределенная по всей области, которое занимает поле. Поле, таким образом, это своеобразный «банк энергии» из которого объект берёт ссуду, когда он превращает свою потенциальную энергию в кинетическую.