Учение о теплоте и электричестве
Параллельно с механикой стали развиваться и другие разделы физики, играющие важную роль в механизации мануфактур и повышении производительности труда – это теплота и электричество. Однако научный подход познания доминирующим стал лишь в механике. В остальных областях физики опытные факты воспринимались через наблюдения лишь умозрительно. В отличие от сил тяготения, действующих между любыми телами, считалось, что электрические силы присущи телам лишь в наэлектризованном состоянии. Эти свойства, приводящие к силам, приписывались не частицам вещества, а некоторой тонкой невесомой материи – тонким жидкостям (флюидам), содержащимся в порах обычных материальных тел. Между тонкими структурами (жидкостями) и веществом в результате взаимодействия возникали силы определенного рода. Электрические и магнитные явления пытались объяснить наличием двух особых жидкостей. По этим представлениям и даже в живых организмах имелся такой флюид – жизненная сила.
Самым плодотворным флюидом оказался теплород, с которым было связано нагревание или остывание тел. Считалось, что между флюидами (частицами) теплорода действуют силы отталкивания, а между частицами теплорода и материальных тел действуют силы притяжения. Тепловые явления изучались вне взаимосвязи с другими явлениями. По этой причине концепция теплорода на определенном этапе была плодотворной, ибо позволяла дать научное объяснение некоторым многократно наблюдаемым 
фактам. Понятие о теплороде позволяло проводить опыты и достаточно точно обсчитывать энергобаланс. Перетекание тепла из одной «емкости» – тела в другое, известное как теплопроводность и другие явления, легко измеряются при проведении калориметрических опытов. Термин теплопроводность тоже обязан своим появлением теплороду и плодотворно используется в тепловых явлениях в настоящее время. Появление тепловых машин, необходимость их совершенствования потребовало умения оценивать и измерять теплофизические величины. Первым развил понятие теплоты и температуры И. Г. Ламберт (Иоганн Генрих). Примерно в это же время М. В. Ломоносов отмечает, что температура тела является степенью теплоты и определяется скоростью движения частиц, из которых состоит вещество (тела), и зависит от полного импульса их движения, а более точно от величины их суммарной кинетической энергии. С позиций атомизма, на которых стояли такие ученые Л. Эйлер и Д. Бернулли, М.В. Ломоносов объяснил плавление, испарение, теплопроводность и даже образование теплоты при трении.
|
|
|
Постепенно идея причинно – следственного единства физических процессов различного рода овладевала умами ученых. Изучение процесса превращения работы в теплоту и обратно, установление механического эквивалента перехода теплоты в работу и обратно, сыграло главную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии, известного как первое начало термодинамики (Ю. Р. Маер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц).
|
|
|
Еще более глубокую физическую сущность, далеко выходящую за рамки тепловых процессов, сыграло второе начало термодинамики (Р. Клаузиус, Л. Больцман), установившее наличие принципиальной ассиметрии в природе – эволюции всех самопроизвольных процессов в замкнутой системе в сторону увеличения хаоса.
Изучением электромагнитных явлений целенаправленно стали заниматься с XVIII века. Хотя, как мы уже отмечали, оно было известно еще древним грекам. Они изучали электричество, натирая куски янтаря. Отсюда и происхождение термина электрон, в переводе с греческого означает янтарь. Они уже знали и о существовании особого минерала – магнитного железняка, способного притягивать железные предметы, залежи которого находились возле города Магнеск. Это и обусловило появление термина – «магнит». Первым магнетизм стал изучать У. Гильберт. Он считал, что магнитные свойства присущи телам изначально от природы. Электрические свойства надо возбуждать. Магнитные взаимодействия бывают двух видов: притяжение и отталкивание. Это по Гильберту означало, что природа электричества и магнетизма различна. Электрическое воздействие слабее магнитного. У магнита есть полюса, которые не исчезают при разрезании его. Гильберт обнаружил, что наэлектризовать можно не только янтарь, но и другие тела – горный хрусталь и другие минералы. Явление электропроводности в 1729 г. открыл С. Грей, установив, что электричество может передаваться от одного заряженного тела к другому по металлической проволоке, шелковая нить электричество не передает. Это позволило ему разделить все вещества на проводники и непроводники электричества. Термин диэлектрики появится позже. В 1734 г. Ш. Ф. Дюфэ провел опыты, в результате которых открыл существование двух видов электричества. Один из них получился при натирании стекла, горного хрусталя, а другой при натирании янтаря. Первый вид он назвал стеклянным, а второй – смоляным. В последствии по предложению Б. Франклина стеклянное электричество было названо положительным, а смоляное – отрицательным.
|
|
|
Возникающие в это время некоторые положения теории электрических явлений базировались на концепциях дальнодействия или близкодействия.
|
|
|
По концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством агентов и распространяется с конечной скоростью.
Сторонник дальнодействия Б. Франклин предполагал наличие в телах универсальной жидкости, количество которой определяет знак заряда. При избытке тело приобретает положительный заряд, при недостатке оно заряжается отрицательно.
В 1771 г. Г. Кавендиш опытным путем открыл закон обратных квадратов для сил электрического взаимодействия зарядов. Результаты не были опубликованы. Они получили известность в 1879 г. после того, как их обнаружил Дж. Максвелл в архивах. Это закон Кулона, подтвердивший его независимо от Кавендиша в 1874 г.
или в скалярной форме 
.
Наличие связи между электрическими и магнитными явлениями впервые обнаружил Х.К. Эрстед в 1820 г. Магнитная стрелка, помещенная по меридиану над проводником, отклонялась, если по проводнику пропускался ток. Анд. Мари Ампер высказал предположение о том, что магнитные явления могут порождаться взаимодействием электрических токов. Два проводника с током притягиваются при одинаковом и отталкиваются при противоположном их направлении. Виток с током или спираль ведут себя как магниты. А. М. Ампер назвал новые эффекты электродинамическими и разделил науку об электричестве на две части электростатику и электродинамику. В 1821 г. Фарадей поставил перед собой задачу превратить магнетизм в электричество и в 1831 г. обнаружил электрическое действие магнита. При перемещении проводника в магнитном поле в нем возникала ЭДС. Используя понятие близкодействия, Фарадей считал, что в окружающем проводник с током магнитном пространстве создается некоторое особое возбужденное состояние, которое он изображал в виде силовых линий. Фактически им было введено новое фундаментальное понятие – физическое поле, точнее электромагнитное поле. Концепция электромагнитного поля была развита и блестяще завершена Д. К. Максвеллом, который придал ей завершенную математическую форму в виде уравнений Максвелла в электродинамике. В 1865 г. им вводятся две гипотезы. Первая – о токе смещения: магнитное поле в общем случае создается токами смещения и проводимости. Ток смещения обладает физическим смыслом в диэлектриках. Вторая – изменение магнитного поля порождает возникновение электрического, причем это происходит не только в проводнике, но и в вакууме, таким образом, всякое изменение электрического поля вызывает появление магнитного и наоборот. Из уравнений электродинамики Максвелла однозначно вытекает фундаментальный вывод о существовании электромагнитных волн. Это подтвердили исследования Г. Герца, создавшего в 1837 г. источник электромагнитных волн, названный вибратором Герца. Открытие электромагнитных волн утвердило концепцию близкодействия, в соответствии с которой взаимодействие передается с конечной скоростью. Так возникло понятие вещественно-полевого дуализма:
– вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности. Вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно, т.е. носит континуальный характер;
– вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам. Частицы вещества обладают массой, а поле не обладает;
– вещество и поле различаются по степени проницаемости. Вещество малопроницаемо, а поле обладает свойством полной проницаемости;
– скорость распространения поля обладает скоростью света, а скорость движения частиц вещества гораздо меньше.
Открытие электрических, магнитных и световых явлений можно отнести к фундаментальным достижениям естествознания XIX века. Концепция поля – нового фундаментального физического понятия, не соответствовало принципам механики. Возникли предпосылки замены механической картины мира на электромагнитную.
В XIX веке на помощь паровым машинам пришло электричество. В 1834 году изготовили первый электродвигатель, сконструированный Б. С. Якоби для привода судна. Создан электромагнитный телеграф. Аппарат П.Л. Шиллинга демонстрировался в Петербурге уже в 1832 году. В 40-е годы сначала в США, а затем и в Европе стали появляться первые телеграфные линии. К концу XIX века мир становится освещенным и ночью. В 1874 г. А.Н.Лодыгиным запатентована дуговая лампа. В 1876 г. П.Н. Яблочков запатентовал – угольную. В 1879 г. Т.А. Эдисон усовершенствовал лампу накаливания, а 1882 г. построил первую в мире электростанцию для массового пользования.
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!