Дәріс тақырыбы: Физика тарихы курсына кіріспе
жүктеу/скачать 1,58 Mb.
|
| Дәріс тақырыбы: Электромагниттік өріс теориясының пайда болуы
Дәріс жоспары: 1. Электромагниттік өріс теориясының пайда болуы және дамуы. 2. Электромагниттік толқындарды ашу. А. С. Поповтың радионы ашыуы Электрмагниттік өріс теориясының пайда болуы және дамуы. Френелдің көлбеу жарық толқындарының жорамалы физиктер алдына эфир (жарық толқындары таралатын гипотетикалық орта) табиғатына тиісті бірқатар мәселелерді қойды. Френелден кейінгі оптикада осы мәселелер шешімін іздестіруге ерекше көңіл бөлінді. Екі жорамал жасалды: Френель жорамалы және Нейман жорамалы. Эфирдің болатындығы жарықтың корпускулалық теориясының сәтсіздігінен кейін күмәнсіз болды. Жарықтық тербелістер тарайтын орта болуы тиіс еді. Электрмагниттік процестер ғылымға барынша тереңдеп енді. Механикалық көріністі алмастыратын әлемнің электрмагниттік көрінісінің дәуірі басталды. Максвелл электрмагнит заңдарының іргелі маңызын айқын байқады. Нақ оған жарықтың электрмагниттік теориясын жасай отырып, оптиканы электрмагнетизмге тоғыстырудың сәті түсті. Джемс Клерк Максвелл атақты шотланд әулетінен шықты. Оның әкесі Джон Клерк Максвелл жан-жақты мәдени қызығушылығы бар, саяхатшы, өнертапқыш, ғалым адам болатын. 1831 жылдың 13 маусымында Максвелдер отбасында болашақ ұлы физик Джемс дүниеге келді. Ол тумасынан жаратылыст зерттеуші болып өсті. Әкесі ұлының әуесқойлығын мадақтап, оны астрономиямен өзі таныстырды, көру түтігі арқылы аспан әлемін бақылауға үйретті. Джемс 10 жасқа толғанда, оны Эдинбург академиясына оқуға берді. Бесінші сыныпқа дейін ол еш қызығусыз оқыды. Осыдан кейін ғана Джемс геометриямен әуестеніп, геометриялық денелер моделдерін мүсіндеді, әрі есептерді шешудің өзіндік әдістерін ойлап тапты. Он бес жасында ол Эдинбург Корольдігі қоғамында сопақша қисықтарды зерттеумен айналысты. 1846 жылы жасөспірім кездегі мақаласымен ол өзінің екі томдық ғылыми мақалалар жинағының негізін қалады. 1847 жылы Максвелл Эдинбург университетіне оқуға түсті. Осы уақытта оның ғылыми қызығушылығы айқындалып, ол физикамен шұғылданды. 1850 жылы ол Эдинбург Корольдігі қоғамында серпімді денелердің тепе-теңдігі туралы баяндама жасады. Осы жылы Максвелл адамзатқа ортақ Ньютон және басқа да белгілі физиктерді тәрбиелеп шығарған атақты Кембридж университеті Тринити-колледжіне ауысты. 1855 жылы ол Эдинбург Корольдігі қоғамына «Түс бойынша тәжірибелер» атты баяндамасын жібереді. Ол жарықтық толқыншаны құрастырып, түстік көру теориясын жасайды. Сол кезде Максвелл бірінші бөлімін 1855 жылы Кембридж философия қоғамында баяндаған «Фарадейлік күштік сызықтар туралы» мемуардағы жұмысын бастады. 1856 жылы Максвелдің әкесі дүниеден өтеді. Осы жылы Максвелл Шотландиядағы Абердин университетінде профессор атағын алады. Ұрпақ сабақтастығына деген қамқорлық пен жаңа қызмет көп уақытты алады. Сонымен қатар Максвелл ғылыммен қарқынды түрде айналысты. 1857 жылы ол Фарадейге өзінің «Фарадейлік күштік сызықтар туралы» атты мемуарын жіберіп, бұл Фарадейді қатты толғандырады. Ол Максвелге – «Сіздің жұмысыңыз ұнады және маған өз көмегін берді» деп жазады. Фарадей қателеспеген екен: Максвелл оның идеясына үлкен серпін беріп, ол Фарадей ісін тиісінше аяқтады. Эйнштейн механикадағы Галилей мен Ньютон есімдерін электрлік туралы ғылымдағы Фарадей мен Максвелл есімдерімен салыстырады. Шынында да, мұндағы аналогия орынды. Галилей мехниканың негізін салса, Ньютон оны аяқтады. Фарадей электрлік пен магниттік құбылыстарды зерттеуге жаңаша қадам жасады. Максвелл математикалық аяқтьалу идеясын берді. Ол Фарадейде болмаған нақты «электрмагниттік өріс» терминін енгізіп, осы өрістің математикалық заңдарын қалыптастырды. Галилей мен Ньютон әлемнің механикалық бейнесінің негізін, Фарадей мен Максвелл – әлемнің электрмагниттік бейнесінің негізін салды. 1871 жылы маңызды өзгеріс орын алды. ХVІІІ ғасырдағы атақты ғалым Генри Кавендиштің бабасы – герцог Кавендиштің қаражатына Кембридж университетіндегі эксперименттік физика кафедрасы жабдықталып, Кавендиштің болашақ атақты лабораториясының құрылысы басталды. Максвелл Кавендиштің алғашқы профессоры ретінде шақырылды. 1871 жылдың 8 қазанында ол университеттік білімдегі эксперименттік жұмыстар функциялары туралы өзінің инавгуральдік дәрісін оқыды. Дәріс эксперименттік физиканы оқытудағы лабораторияның бүкіл болашақ әрекетінің бағдарламасы болды. Максвелл Кембридждегі өзінің шығармашылығын жылу бойынша дәріс оқудан бастады. Ол лаборатория құрылысы мен оны ұйымдастыру мәселелеріне көп уақытын сарп етті. Ол шетелдердегі лаборатория жасау тәжірибесін зерттеп, өз елінде Томсон лабораториясында – Кларендон лабораториясына болды. Кембридждегі Кавендиш лабораториясы 1874 жылдың 16 маусымында ашылды. Кейін физика ғылымның ірі орталығы болған Кавендиш лабораториясы өзінің алғашқы профессорына көп қарыздар. Максвелл алдында қиын тапсырма – жаңа эксперименттік физика кафедрасын жасақтау міндеті тұрды. Кавендиш профессры қызметінде Максвелл үлкен ғылыми және педагогикалық жұмыстар атқарды. 1873 жылы оның «Электрлік және магнетизм бойынша трактат» атты негізгі еңбегі жарыққа шықты. Кембридж университетінің мұрағатынан Максвелл Генри Кавендиштің жарияланбаған жұмыстарын, жекелей алғанда, оның Кулонға дейін бірнеше жыл ішінде ашқан электрлік өзараәрекеттестік заңын тапты. Максвелл өз пікірі бар Генри Кавендиш мемуарларын 1879 жылы жариялады. Осы жылы 5 қарашада Максвелл обыр ауруынан көз жұмды. Максвелл жан-жақты: теоретик, экспериментатор, әрі техник ғалым болды. Бірақ физика тарихында оның есімі Максвелл теориясы немесе максвелдік электрдинамика деп аталатын ол жасаған электрмагниттік өріс теориясымен біріктіріледі. Максвелл электрдинамикасы табиғатты тануды жаңа, жоғары деңгейге көтеріп, сонымен қатар алдыңғы теорияларға қарағанда біршама түсініксіз, абстрактылы болды. Бұл жағдай физиктердің Максвелл теориясын салыстырмалы ұзақ уақыт қабылдай алмауына жол ашып, тек Герц тәжірибелерінен кейін ғана оны мойындай бастады. ХІХ ғасырдың 60-ыншы жылдарының басында Максвелл өзінің электрлік және магнитизм теориясының негіздерін тауып, жарықтың электрмагниттік құбылыс түрінде болатындығы туралы маңызды тұжырым жасады. Максвелл теория жасалымын жалғастыра отырып, 1864-1865 жж. өзінің «Өрістің динамикалық теориясы» атты еңбегін жариялады. Бұл жұмыстағы Максвелл теориясы аяқталған түрге еніп, Фарадей енгізген ғылыми зерттеудің жаңа нысанына айналады және нақты анықтама алады. Максвелл бойынша «Электрмагниттік өріс – бұл өзі мен электрлік және магниттік күйде болатын денелерді қамтитын кеңістік». Физика тарихындағы электрмагниттік өрістің алғашқы анықтамасы осындай. Максвелдік теория жеңісіндегі шешуші рөлді неміс физигі Генрих Герц атқарды. Генрих Рудольф Герц 1857 жылдың 22 ақпанында ейін сенатор болған адвокат отбасында дүниеге келді. Біріккен Германиядағы Герц дәуірінде өнеркәсіп, ғылым мен техника қарқынды түрде дамыды. Берлин университетінде Гельмгольц әлемдік ғылыми мектепті жасақтады. Оның басшылығымен физикалық институт тұрғызылды. Сонда Вернер Сименс күшті тоқтар электртехникасы облысында қарқынды түрде жұмыс жасады. Ол Гельмгольцпен бірге Германия жоғарғы метрология мекемесін, Физика-техникалық институтты жасаушы басатамшылардың бірі болды. Неміс ғылымы мен техникасының осы көшбасшыларының ортасына Герц те енді. Герц 1875 жылы гимназияны аяқтаған соң, алдымен Дрезден, ал кейін Мюнхен жоғарғы техникалық училищесінде оқыды. Бірақ ол көп ұзамай, озының жолының – ғылым екендігін түсінді. Ол Берлин университетіне келіп, онда Гельмгольц басшылығымен физиканы зерттеді. Герц Гельмгольцтың сүйікті шәкірті болды. Нақ оған Гельмгольц Максвелдің эксперименттік тұжырымдарын тексеруді тапсырды. Герц Карлсруэдегі Жоғарғы техникалық мектепте болашақ профессор ретінде өзінің әйгілі тәжірибелерін жасай бастап, онда эксперименттік физика профессоры атанды. Герц 1894 жылдың 1 қаңтарында дүниеден озды. Өз шәкіртіне некролог жазған оның ұстазы гельмгольц те осы жылдың 8 қыркүйегінде қайьыс болды. Герц эксперименттік қондырғы мен өз тәжірибелерін 1878 жылы жарияланған «Өте жылдам электрлік тербелістер туралы» атты мақаласында мазмұндады. Ол электрлік тербелістерді қабылдағыш пен генераторды құрастырды. Тәжірибелер кезінде қабылдағышқа генератордың индукциялық әсері әлсіз ұшқынмен берілді. Герц есептеулері, тіпті барынша қолайлы жағдайлардың өзінде де күтілген әсердің өте төмен болатындығын көрсетті. Ол «тапсырмаларды жасаудан бас тартты». Дегенмен ол оны шешудің мүмкін жолдары туралы ойлануды тоқтатқанша, Герц тапсырманы ұтымды шешу үшін жоғары жиілікті электрлік тербелістердің қажет екендігін дұрыс анықтады. Электрмагниттік толқындардың ашылуы. Герц жылдам электрлік тербелістерді алып, резонанс жағдайында ерекше күшті қабылдағыш контурға вибратор әсерін зерттеді. Герц «Тоқ әсері туралы» жұмысында барынша алыс қашықтықтан құбылысты зерттеуге көшті. Ол, егер вибратордан қабылдағыштың арақашықтығы 1 метрден кем болса, онда электр күшінің таралу сипаты диполь өрісіне аналогты болып келетіндігін анықтады. Дегенмен, 3 метрден алыс қашықтықта өріс біршама баяу және түрлі бағытта әркелкі кемиді. Герц бірқатьар кезекті тәжірибелерінде шекті жылдамдықпен таралатын электрмагниттік толқындардың болатындығын мүлтіксіз дәлелдеді. Герц Максвелл теориясының негізінде өзінің вибраторының («Герц осцилляторының») сәулеленуін теориялық талдаудан өткізді. Герцтің «Максвелдік теория бойынша қарастырылатын электрлік тербеліс күштері» атты мақаласы осындай талдау нәтижелерін қамтиды. Герц алған шешім вибраторға жақын Био-Савар заңына сай тоқ элементінің магниттік өрісі мен дипольдің электрстатикалық өрісінің бейнесін береді. Бірақ алыс қашықтықта күші қашықтыққа пропорциоалды түрде кері кемитін толқындық өріс, диполь өсімен радиус-вектор бағытымен түзілген бұрыш синусына пропорционалды және радиус-векторға пропорционал магнит кіүші мен электр күші алынады. Түрлі уақыт сәтіндегі осы толқындық аймақтағы өрісті Герц күштік сызықтар көмегімен кескіндеді. Бұл өріс кеңістікте жарық жылдамдығымен таралып, мұнда өс бағытында диполь сәулеленбейді. Максималды сәулелену диполь өсіне перпендикуляр экваторлық бағытта орын алады. Герцтің бұл есептеулері антенналардың сәулелену теориясының және атомдар мен молекулалар сәулеленуінің классикалық теориясы негізінде жатты. Осылайша, Герц өзінің зерттеу процесінде Максвелл көзқарасына түпкілікті, әрі күмәнсіз тоқтады. Ол оның теңдеуіне қолайлы форма беріп, Максвелл теориясын электрмагниттік сәулелену теориясымен толықтырды. Герц Максвелл теориясы болжаған электрмагниттік толқындарды эксперименттік түрде алып, олардың жарық толқындарына ұқсастығын көрсетті. Герц өзінің «Электрмагниттік күш сәулелері туралы» (1888 жыл) жұмысында электрмагниттік толқындардың таралуы, олардың поляризациясы, шағылысуы, сынуы бойынша өз тәжірибелерін мазмұндайды. Герц осы толқындармен тәжірибелер үшін айна (Герц айнасын), қатты шайырдан жасалған призманы құрастырды. Осы тәжірибелердің барлығы электрмагниттік және жарық толқындарының аналогиясын көрсетті. Герц тәжрибелері үлкен резонанс туғызды. Герцтің көп рет қайталанған тәжірибелері арасынан орыс физигі П.Н. Лебедевтьң 1895 жылы жарияланған тәжірибелері ерекше орынға ие. Ол Герц әдісін жетілдіре отырып, ол өзінің салыстырмалы ұзын толқындарымен жандандыра алмаған қосарлы сәуле сыну бойынша тәжірибелерін жүргізіп, ең қысқа электрмагниттік толқындарды алды. Лебедевтің «Электрлік күш сәулелерінің қосарлы сынуы туралы» мақаласы бірмезгілде орыс және неміс тілдерінде жарық көрді. Петр Николаевич Лебедев 1866 жылы Мәскеуде көпес отбасында дүниеге келді. Ол мектептік білімді Евангелисттік Петропавл шіркеу училищесінде және Реаль училищесінде алды. 1884 жылдың қыркүйегінен 1887 жылдың наурызына дейін Мәскеу жоғарғы техникалық училищесіне барды. Ол өзінің физикалық зерттеулерін дамыту үшін Страсбург пен Берлинде оқыды. Лебедев Страсбургте диссертациясын қорғаған соң, Ресейге оралып, Мәскеу университетінде Столетовта лаборант қызметінде жұмыс жасады. П.Н. Лебедевтің маңызды жетістіктері оны әлемдік даңққа бөлеген жарық қысымы бойынша классикалық тәжірибелері болды. Лебедев қатты денелерге жарық қысымын өлшеу бойынша өз жұмысы туралы алдын-ала хабарламаны 1899 жылы жасады. Өзінің тәжірибелері туралы баяндамамен ол 1900 жылы Праиждегі Бүкіләлемдік физиктер конгресінде сөз сөйледі. «Жарық қысымын тәжірибелік зерттеу» жұмысының өзі 1901 жылы немістің «Annalen der physik» атты журналында жарияланды. 1901 жылы Лебедев өзі он жыл бұрын Столетовта жұмысын бастаған Мәскеу университетінің профессоры болады. Енді ол бүкіл әлемге танымал ғалым, физиктер мектебінің басшысы. 1902 жылы Лебедев жарық қысымының ғарыштық рөлі туралы айтылатын баяндамамен Неміс астрономия қоғамының съезінде баяндама жасайды. Жарық қысымы бойынша жұмысы үшін Лебедев 1911 жылы Лондондағы Король институтының құрметті мүшесі болып сайланды. Лебедев астрофизика мәселелеріне терең қызығып, Күнді зерттеу бойынша Халықаралық одақта белсенді жұмыс істеді. Өмірінің соңғы жылдарында ол ультрадыбыс мәселесіне көңіл аударды. Бірақ осы жұмыстардың барлығы Ағарту министрі Кассоның реакциялық әрекетіне наразылық белгісі ретінде Лебедев басқа профессорлармен бірге кетіп қалған 1911 жылы үзіліп қалды. Орыс және халықаралық қауымдастық Лебедевке көмек қолын созуға тырысқанымен, оның күш-қуаты таусылған еді, 1912 жылдың 14 наурызында П.Н. Лебедев көз жұмды. Максвелл мен Бертли болжап кеткен жарық сәулелерінің қысым күшінің болатындығын П.Н. Лебедев эксперименттік тұрғыдан дәлелдеді. Лебедев нәтижесі ерекше әсер қалдырды. В. Томсон (лорд Кельвин) К.А. Тимирязевке өзінің бүкіл өмірінде Максвелмен оның жарықтық қысымы үшін күрескендігін, ал Лебедевтің өзінің бұрыстығын мойындауға мәжбүр еткендігін айтады. Радионың ашылуы. А.С. Попов. Герц электрмагниттік толқындардың техникада қолданылу мүмкіндігін болжаған жоқ. Болашақ байланыс құралын Герц лупамен қараған әлсіз ұшқыншаларды байқау қиын еді. Жалпы алғанда, толыққанды ашылу мен оның техникалық қосымшасы арасында үлкен қашықтық жатыр. Эйнштейн Е=mc2 қатынасының болашақ іске асуын болжамаса, Резерфорд атомдық энергияны пайдалану химера деп санады. Тек ерекше қабілетке ие адамдар ғана ғылыми идеяны саналы түрде техникалық толықтыруы мүмкін. Нақ осындай қабілетке орыс физигі Александр Степанович Попов ие еді. Герц өлімінен кейін шамасы бір жылдан соң ол өзінің алғашқы радиоқабылдағышын демонстрациялады. Сонымен сымсыз байланыс мақсаты үшін электрмагниттік толқындарды практикалық қолдану мүмкіндігі ашылды. Александр Степанович Попов 1859 жылдың 16 наурызында Оралда діндар отбасында дүниеге келді. Ол 1877 жылы Перм діни семинариясының жалпы білім беретін сыныбын аяқтағаннан кейін, діни білімді жалғастырған жоқ. Ол Петербург университетінің физика-математика факультетіне оқуға түсті. Университетте оны электртехника қызықтырды. Ол «Электртехник» серіктестігінде монтер болып жұмыс жасады. Оның алғашқы еңбектері динамо-электрлік машиналарға арналды. Попов профессорлық атаққа дайындық үшін университет маңында қалыдырылғанымен, ол ұзақ уақыт аспирантурада болған жоқ. 1883 жылы Крондштадттағы Минск офицер класының оқытушысы болып, Теңіз ведоствасы училищесінде қатар жұмыс жасады. Попов Петербугтегі Электртехникалық институттың физика кафедрасының профессоры болып сайланып, 1901 жылға дейін жұмыс істеді. 1905 жылы институт директоры болып сайланып, осы қызметінде 1906 жылдың 13 қаңтарында миға қан құйылудан қайтыс болды. Өзінің қызметтік жұмысы бойынша А.С. Попов әскери-теңіз флотымен тығыз байланыста болып, нақ осы флотта ұлы ашылу орын алды. Ашылу үшін тарихи жағдайлар пісіп-жетілді. Көптеген елдерде түрлі жолдармен ашылуға бірнеше адамдар келді: Попов, Резерфорд, Маркони және басқалар. Жетістікке алғаш Попов жетті. 1889 жылы А.С. Попов шенді офицерлер жиынында «Жарықтық және электрлік құбылыстар арасындағы қатынастар туралы жаңа зерттеулер» атты дәрістер циклін оқыды. Бұл дәрістер Герц тәжірибелерінің демонстрацияларымен сүйемелденді. А.С. Попов Герц ашылуларының практикалық маңызын бірден бағалағандардың бірі болып, олардың техникалық қолдану есептерін шеше бастады. 1895 жылдың 7 мамырында А.С. Попов орыс физика-химиялық қоғамының физикалық бөлімшесінің мәжілісінде өзі құрастырған радиоқабылдағышты демонстрациялады. Попов қабылдағышындағы электрлік тербеліс детекторы 1890 жылы француз физигі Эдуард Бранли ойлап тапқан когерер деп аталатын прибор болды. Бұл өзіндік жарытлайөткізгіш еді. Попов электрмагниттік толқындарды ұстау үшін антеннаны пайдаланды. А.С. Попов қоңырауды, когерер мен антеннаны біріктіре отырып, найзағай зарядтарын тіркегіш ретінде қолданылатын түрдегі «найзағайбелгілегіш» деп аталатын приборды құрастырды. Попов 1895 жылы 60 метрге дейінгі қашықтықта электрмагниттік толқындарды тарату мен қабылдау бойынша тәжірибелер жүргізді. 1897 жылдың 25 қаңтарында А.С. Попов «Котлин» газетінің бетіне «Сымсыз телеграфия» атты мақаласын шығарды. Мақала Маркони тәжірибелері туралы хабарламаға байланысты пайда болды. Попов прибордың сәуір айында Орыс физика-химия қоғамының физика бөлімшесінің мәжілісінде демонстрацияланғандығын еске түсіреді. Ол өзінің приборының «электрмагниттік толқындармен тәжірибелерге бейімделгендігін және мәжілістер мен дәрістерде демонстрацияланатындығын» көрсетеді. Флот үшін жұмыс жасай және осы жұмыстың барлық маңызын тамаша ұғына отырып, А.С. Попов баспалық жарияланымдарға асыққан жоқ. Бірақ Маркони жұмысы туралы мәліметтер баспада пайда болған сәттен А.С. Папов өз басымдығын қорғауға мәжбүр болды. 1897 жылдың 20 қаңтарындағы «Котлин» газетіндегі мақала А.С. Поповтың алғашқы хабарламасы еді. Гульельмо Маркони 1896 жылдың маусымында өз өнертабысы үшін патентке өтініш берді. 1897 жылдың 2 шілдесінде Маркониге патент берілді. Папов болса хабарламамен және жарияланыммен шектеліп, өнертабысты өзіне патенттемеді. Марконидің ашылудағы емес, радионы дамытудағы еңбегі талассыз болып табылады. Радионың ашылуы Максвелл теориясының әділдігі шындықтың жоғарғы критерийі – практикамен дәлелденді. Максвелл теориясы шешімі физика тарихындағы жаңа революциялық дәуірге алып келген бірқатар өзекті де, терең мәселелерді физиктер алдына қойды. жүктеу/скачать 1,58 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|