Первые наблюдения магнитных и электрических явлений

Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Основной  силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. В среде вводится также с вектор напряжённости магнитного поля.

Первые  упоминания о постоянных магнитах и их использовании в устройствах типа компаса встречаются в древнекитайских летописях. Так древние китайская летопись повествует, что 4000 лет назад в Китае использовалась повозка, на которой, проворачиваясь на оси, стояла магнитная фигурка человека, показывающего на юг. В китайской энциклопедии находятся и первое упоминание об использовании магнитной стрелки на кораблях в 262—419 гг. н. э. Позже ее стали применять индийцы, арабы, греки, помещая магнит на плавающий в воде тростник. О некоторых свойствах магнитов были осведомлены и древние греки. Само название «магнит» предположительно происходит от названия города Магнезия в Малой Азии, где добывались магнетитовые руды. О «душе магнита» писал Фалес Милетский, свойства магнитов описывали и пытались объяснять также Анаксагор, Эмпедокл, Демокрит, Эпикур и другие. Тит Лукреций Кар в своём сочинении «De rerum natura» («лат. О природе вещей») описал «бушующее движение железных опилок и колец», производимое магнитом.

В начале XIV века итальянец Флавий Джойя ввёл в употребление компас с картушкой (шкалой). Она была связана с магнитом и разделена на 32 части (румбы). В таком виде без значительных изменений компас сохранился и до наших дней. Слово «компас», по-видимому, происходит от старинного английского слова compas, означавшего в XIII—XIV вв. «круг».

Угол, на который  отклоняется магнитная стрелка  от направления север — юг, называют магнитным склонением. Христофор  Колумб установил, что магнитное  склонение зависит от географических координат, что послужило толчком  к исследованию этого нового свойства магнитного поля Земли.

Практически все накопленные к началу XVII века сведения о магнитах подытожили в 1589 году книгой «Естественная магия» Ион  Баптиста Порта и в 1600 году Уильям Гильберт своим трудом «лат. De Magnete». Магнитным силам эти учёные приписывали духовное происхождение. Русский ученый М.В. Ломоносов в 1759 г. в докладе "Рассуждение о большой точности морского пути" дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса. Для изучения земного магнетизма М.В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитный обсерваторий была осуществлена лишь спустя 60 лет в России. Первую подробную материалистическую теорию магнетизма составил Р. Декарт. Теорию магнетизма разрабатывали также Ф. У. Т. Эпинус, Ш. Кулон, в 1788 году обобщивший закон Кулона на случай взаимодействия точечных полюсов магнита, А. Бургманс, которому принадлежит открытие притяжения и отталкивания слабомагнитных веществ (названных М. Фарадеем в 1845 году диа- и парамагнетиками), и другие учёные. 

Одной из важнейших  вех в истории физики магнитных  явлений стало осуществление  в 1820 году опыта Эрстеда с магнитной  стрелкой, фактически подтолкнувшего учёных к созданию единой теории электромагнитных взаимодействий. В том же году А. М. Ампер высказал гипотезу молекулярных токов, которая конкурировала с  гипотезой элементарных магнитиков — магнитных диполей, детально разработанной  В. Э. Вебером и развитой позднее  Дж. А. Юингом. В 1831 г. английским полярным исследователем Джоном Россом в Канадском архипелаге был открыт магнитный полюс - область, где магнитная стрелка занимает вертикальное положение, т.е. наклонение равно 90 0. В 1841 г. Джеймс Росс (племянник Джона Росса) достиг другого магнитного полюза Земли, находящегося в Антарктиде.

В 1831 году М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции и впервые ввёл в обращение  термин «магнитное поле». В 1834 году русский  академик Э. Х. Ленц установил правило о направлении индукционного тока и связанного с ним магнитного поля. В 1873 году начало современной электродинамике положило опубликование «Трактата об электричестве и магнетизме» Дж. К. Максвелла и экспериментальное обнаружение в 1888 году Г. Р. Герцем предсказанных в этом трактате электромагнитных волн. Взаимодействия электромагнитного поля с веществом рассматривал Х. А. Лорентц, создавший электронную теорию магнитных свойств и объяснивший в её рамках открытый в 1896 году эффект Зеемана.

В 1905 году П. Ланжевен на основе теоремы Лармора и электронной теории Лорентца развил классическую трактовку теории диа- и парамагнетизма.

Магнитные явления

Вы могли  заметить, что лучше всего предмет  притягивается к магниту на его  концах. Они называются полюсами магнита  и обычно выкрашены в синий  и красный цвета. Синим цветом обозначают северный магнитный полюс, а красным — южный.

Магниты взаимодействуют  между собой. Одинаковые полюса двух магнитов отталкиваются, а разные —  притягиваются. Обычно мы имеем дело с искусственными магнитами, то есть изготовленными людьми на заводе. Но есть и естественные — это встречающиеся  в природе магнитные руды. У  нас на Урале есть гора Магнитная  и город Магнитогорск. Но впервые  такие руды были найдены, вероятно, в древнем городе Магнесия на полуострове Малая Азия. От названия этого города, возможно, и произошло слово «магнит», так как в переводе с греческого оно означает «камень из Магнесии».

Мы не ощущаем, что живем на огромном магните, каким  является наша Земля. Простая магнитная  стрелка чутко реагирует на магнитное  поле Земли. Поэтому она — главная  часть хорошо известного вам компаса, который используется для ориентирования на местности. Стрелка компаса своим  северным полюсом указывает на Южный  магнитный полюс Земли, который  находится недалеко от Северного географического. Именно поэтому мы можем использовать магнитные явления для нахождения географических полюсов Земли.

В 1820 году тоже с помощью магнитной стрелки  датский ученый Х.-К. Эрстед обнаружил, что магнитное поле существует вокруг проводника, по которому течет электрический  ток. Магнитные свойства тока проявляются  сильнее, если проводник свернут  в катушку и внутри нее помещен  железный стержень. Катушка с железным сердечником называется электромагнитом. Она проявляет магнитные свойства только тогда, когда по ней течет  ток. И теряет их, когда ток выключен. Это свойство используется во многих электрических приборах, например в  электрических звонках.

Исследования  магнитных явлений помогают астрофизикам понять процессы, происходящие в околоземном  космическом пространстве, на Солнце и звездах, в межпланетном, межзвездном  пространстве.

Электри́чество — понятие, выражающее свойства и явления, обусловленные структурой физических тел и процессов, сущностью которой является движение и взаимодействие микроскопических заряженных частиц вещества (электронов, ионов, молекул, их комплексов и т. п.).

История

Впервые на электрический заряд обратил  внимание Фалес Милетский за 600 лет  до н. э. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойства притягивать легкие предметы (пушинки, кусочки бумаги).[1].

Позже это  использовалось для чистки от пыли одежды, для которой было критично любое повреждение краски. Считалось, что таким свойством обладает только янтарь.

Но только после становления физики как  экспериментальной науки, заложенной Галилео Галилеем, это явление  стало изучаться как средство для исследования и использования  свойств физических тел.

Термин «электричество» (англ. electricity) введён английским естествоиспытателем, лейб-медиком королевы Елизаветы Тюдор Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества. Название «электричество» происходит от др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь».[1].

В середине XVII века Отто фон Герике разработал электростатическую машину трения. Кроме того, им было обнаружено свойство электрического отталкивания однополярно заряженных предметов.

В 1729 г. английский учёный Стивен Грей обнаружил разделение тел на проводники электрического тока и изоляторы[1].

Вскоре его  коллега Роберт Симмер, наблюдая за электризацией своих шёлковых чулок, пришёл к выводу, что электрические явления обусловлены тем, что электричество представлено двумя взаимодополняющими субстанциями, свойства которых стали обозначать понятием «заряд», различая положительный и отрицательный заряд тел. Данные субстанции разделяются при трении тел друг о друга, что и вызывает электризацию этих тел, то есть электризация — это накопление на теле заряда одного типа, причём заряды одного знака отталкиваются, а заряды разного знака притягиваются друг к другу и компенсируются при соединении, делая тело нейтральным (незаряженным).

К тем же выводам пришёл в 1729 г.у Шарль Дюфе. Он установил, что существует два рода зарядов. Опыты, проведённые Дюфе, говорили, что один из зарядов образуется при трении стекла о шёлк, а другой — при трении смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным».

Понятие о  положительном и отрицательном  заряде ввёл немецкий естествоиспытатель Георг Кристоф Лихтенберг, по версии США Бенджамин Франклин, который также обнаружил электрическую природу молний (атмосферное электричество) и изобрёл молниеотвод.

Первая теоретическая  работа с попыткой теоретически объяснить  электрические явления, была написана американским физиком Б. Франклином в 1747 г.. Он предположил существование электрической жидкости (флюида), которая входит в качестве составной части во всякую материю. Наличие двух видов электричества он связывал с существованием двух типов жидкостей — «положительной» и «отрицательной». Обнаружив, что при трении друг о друга стекло и шелк электризуются по-разному, Франклин сделал вывод, что положительные и отрицательные заряды появляются одновременно и в равных количествах. Теория Франклина предполагала одновременное существование трех физических сущностей — материи, положительной и отрицательной электрических жидкостей. Электричество у Франклина существовало независимо от материи. Именно Франклин первым высказал важнейшее предположение об атомарной, зернистой природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими»[1].

М. В. Ломоносов  предположил существование «нечувствительной  материи вне электризованного тела, которая и производит это действие», предугадав тем самым современное  понятие электрического поля[1].

В 1745 г.у был создан первый электрический конденсатор — Лейденская банка. Гальвани открыл биологические эффекты электричества.

Первым количественным исследованием был закон взаимодействия зарядов, экспериментально установленный  в 1785 г. Шарлем Кулоном с помощью  разработанных им чувствительных крутильных весов: , где q1 и q2 электрические заряды, r — расстояние между ними, F — сила взаимодействия между зарядами, k — коэффициент пропорциональности. Это открытие поставило науку об электричестве в ранг точных дисциплин, в которых можно применять математические методы[1].

Итальянский ученый Вольта в 1800 г. изобрёл первый источник постоянного тока — гальванический элемент, разрешив тем самым многовековые трудности в исследовании электричества. Это был столб из цинковых и  серебряных кружочков, разделенных  смоченной в подсоленной воде бумагой[1].

В 1802 г.у Василий Петров обнаружил вольтову дугу. Работы Джоуля, Ленца, Ома по изучению электрического тока. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля (1830).

Фарадей открывает  электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления  электролиза привел Фарадея к  мысли, что носителем электрических  сил являются не какие-либо электрические  жидкости, а атомы — частицы  материи. «Атомы материи каким-то образом  одарены электрическими силами»  — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории[1].

Объединение электричества и магнетизма

В 1820 год  норвежский физик Эрстед на опыте  обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Впервые  два, казалось бы, соверешенно различных явления оказываются связанными друг с другом.

Французский физик Ампер установил, что связь  электричества и магнетизма наблюдается  только в случае электрического тока (движущегося электричества) и отсутствует  в случае статического электричества  в 1821 год.

Опираясь  на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 год и создает на его основе первый в мире генератор  электроэнергии, вдвигая в катушку  намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с  током, вращающаяся вокруг магнита. Электричество и магнетизм в  результате этих исследований были объединены в новую область науки —  электромагнетизм[1].