Чтение онлайн

Рис. 23. Возникновение ЭДС при перемещении постоянного магнита по отношению к неподвижным виткам катушки

На основании полученных данных Фарадей ввел представление о линиях магнитной индукции (силовых магнитных линиях) (рис. 24).

Рис. 24. Распределение линий магнитной индукции (силовых линий) между двумя разноименными (а) и одноименными (б) полюсами

В том же десятилетии Георг Ом (1787–1854) установил соотношение между разностью потенциалов на проводнике и проходящим через него током. Таким образом, примерно к 1835 г. были сделаны основные открытия в области электричества и магнетизма, благодаря которым была заложена база развития электротехнической промышленности. Человечество вступило в новую эпоху — эпоху электротехники, электроники и гигантских электростанций.

Якоби в 1838 г. создал первую практическую модель электрической машины, которая могла работать или в режиме двигателя, или в режиме генератора. Резкий рывок в развитии электрических машин был получен благодаря заслугам русского ученого Доливо-Добровольского, который в 1885 г. изобрел совершенно новый тип машины — трехфазный асинхронный двигатель, который и в настоящее время является массовым двигателем.

КАКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОБОБЩЕНИЯ БЫЛИ СДЕЛАНЫ ТОГДА ИЗ ИМЕВШИХСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ФАКТОВ?

Первым, кто достиг успеха в разработке фундаментальной теории электричества и магнетизма, был Дж. Максвелл (1831–1879).

По его мнению, понятие силовых линий, предложенных Фарадеем в качестве некоторого аналога для описания поведения магнитных полей, могло послужить основой для математической формулировки закона Ампера о взаимодействии магнитного поля с электрическим током. Максвелл обобщил закон Фарадея для индукции токов при изменении магнитных полей, связывающий напряженность электрического поля с электрическими зарядами, а также закон, описывающий обычные магнитные поля, и выразил их в виде математических уравнений.

Из анализа этих уравнений он смог сделать важный вывод: любое возмущение, названное им электромагнитной волной, обязанное существованию электрического и магнитного полей, должно распространяться в пространстве со скоростью 3•108 м/с, т. е. со скоростью света.

Что это, случайное совпадение? Нет, Максвелл не верил в случайность. Он стремился в разных явлениях найти взаимную связь. И он сделал такой вывод: если электромагнитные волны движутся со скоростью света, значит свет — это тоже электромагнитная волна.

Примерно в 1885 г. Г. Герц (1857–1894) наряду с другими исследованиями попытался получить более точные теоретические обоснования уравнений Максвелла. Однако некоторые экспериментальные данные, полученные в то время, не могли быть объяснены. В частности, на протяжении XIX в. продолжались эксперименты по электролизу и предпринимались попытки построения теории для объяснения этих экспериментов. В 1881 г. немецкий ученый Гельмгольц писал: «Если мы примем гипотезу атомной структуры элементов, мы не можем не прийти к выводу о том, что электричество (как положительное, так и отрицательное) также разделяется на элементарные порции или атомы электричества».

Так существуют ли все же атомы электричества?

Изучая ионы различных веществ, ученые никогда не обнаруживали ионов с дробным элементарным зарядом.

Казалось бы, существует элементарный электрический заряд, который уже не делится на более мелкие части, или, другими словами, в природе действительно есть электрические атомы.

С помощью сконструированного прибора удалось доказать, что предполагаемый «электрический атом» несет в себе целое число элементарных зарядов, получивших название электронов. Однако природа электрона была все же не ясна.

В 1838 г. Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Сам катод также светился, а между светящимся катодом и фиолетовым столбом имелось темное пространство.

НЕ ОТСЮДА ЛИ БЕРЕТ НАЧАЛО МНОГОЦВЕТЬЕ ВЕЧЕРНИХ УЛИЦ НАШИХ ГОРОДОВ?

Фиолетовый столб — это «дедушка» современных неоновых и флуоресцентных световых трубок. Окраска испускаемого такой трубкой света зависит от вида заполняющего ее газа. Неон при давлении приблизительно в одну сотую атмосферы испускает яркий оранжевый свет при пропускании через него тока, гелий — розовато-белый, пары ртути — зеленовато-голубой.

НАБЛЮДЕНИЕ ФАРАДЕЯ ПРИВЕЛО К СЕРЬЕЗНЫМ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ВЫВОДАМ.

Дальнейшие исследования показали, что между катодом и анодом распространяется излучение (названное катодным), представляющее собой поток электронов. Было установлено, что пробег катодного излучения в воздухе при нормальном давлении и нормальной температуре составляет примерно 1 см, и сделано смелое предположение: излучение состоит из частиц, являющихся компонентами атомов всех элементов.

Дж. Дж. Томсон писал: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния…; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы».

Лоренц и Зееман предположили существование внутри атома маленьких заряженных частиц, вращающихся по орбитам внутри атома и способных испускать электромагнитные волны, к которым относится и свет.

На основании полученных уширенных спектральных линий удалось оценить значение отношения заряда к массе (е/m) предполагаемой составной частицы атома.

Было установлено, что действительная масса находящейся в атоме частицы составляет около 1•10– 8 массы атома. Примерно такая же масса получилась в расчетах Томсона для носителей электричества в катодных лучах.

1897 год, когда впервые была измерена масса электрона, принято считать датой открытия электрона.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА ПОМОГЛО ПОНЯТЬ СТРУКТУРУ АТОМА?

Начиная с 1897 г. стало ясно, что необходимо задуматься о структуре атома в целом, ибо открытие Зееманом частиц, обнаруженных в катодных лучах, еще не означало, что атом состоит только из таких частиц. Атом уже не мог больше рассматриваться как мельчайшая и самая фундаментальная частица.

Герц (1887) и Томсон (1897) экспериментально установили, что ультрафиолетовое излучение вызывает эмиссию отрицательно заряженных частиц из некоторых металлов (рис. 25).

Рис. 25. Принцип работы фотоэлемента

Измерения показали, что эти частицы по своим параметрам близки к частицам катодного излучения, т. е. в процессе эмиссии были обнаружены частицы, которые можно было отождествлять с катодным излучением. В те же годы Томсон определил массу отрицательно заряженных частиц, испускаемых нагретым до температуры плавления металлом, и значение отношения е/m обнаруженных частиц. Полученное отношение удовлетворительно согласуется со значением этого отношения для частиц катодных лучей.