Džeimsas Maksvelas ir Heinrichas Rudolfas Hercas

Džeimsas Klarkas Maksvelas
Džeimsas Klarkas Maksvelas gimė 1831 metais birželio 13d. Edinburge, Škotijoje, dvarininkų šeimoje. Jo talentas ir noras pažinti gamtą ir jį supančius daiktus pasireiškė labai anksti. Mokykloje jaunuolis susidomėjo geometrija. Būdamas 14 metų, parašė pirmąjį mokslinį darbą, kuriame apibedrino ovalų braižymo metodą. Šį darbą Maksvelas įteikė Edinburbo Karališkąjai draugijai. Kai jis įstojo į Edinburgo universitetą, Maksvelo mokslinių interesų kryptis tapo jau aiški – ja tapo fizika. Jis taip pat pasineria į matematikos, fizikos, chemijos studijavimą, labai domėjosi filologijos paskaitomis. 1850 m. Maksvelas pereina studijuoti į Kembridžo universitetą. Baaigęs šio universiteto Triniti koledžą (1854 m. ), pradeda jame dėstyti. 1856 m. Maksvelas tampa Škotijoje esančio universiteto fizikos profesoriumi, po to profesoriauja Londono universitete. 1860 m. tapo Londono karališkosios draugijos nariu. Nuo 1871 m. Makslelas – Kembridžo universiteto profesorius. Čia jis įkūrė garsiąją Kevendišo labaratoriją ir buvo pirmąsis jos direktorius. Jis buvo vedęs, bet vaikų neturėjo. Jo karjera nutrūko pirma laiko. 1879 m. Maksvelas mirė nuo vėžio netrukus po jo keturiasdešimt aštuntojo gimtadienio.
Didysis britų fizikas Džeimsas Klarkas Maksvelas geriausiai žinomas dėl savo suformuluotų keturių lygčių, iššreiškiamų pagrindinius elektros ir magnetizmo dėsnius.

Šios dvi sritys buvo intencyviai tyrinėjimos dar gerokai prieš Maksvelą ir buvo gerai žinoma, kad jos labai artimai susijusios. Tačiau nors įvairūs atskiri elektos ir magnetizmo dėsniai tam tikromis aplinkybėmis pasitvirtindavo, iki Maksvelo nebuvo vi

iską apimančios, vieningos teorijos. Savo keturiomis trumpomis, tačiau labai sudėtingomis lygtimis Maksvelas sugebėjo tiksliai apibūdinti elektros bei magnetinio laukų elgesį ir sąveiką. Komlikuotą reiškinį jis pavertė suvokiama teorija. Maksvelo lygtys praeitame šimtmetyje intensyviai buvo naudojamos ir teoriniame, ir taikomajame moksle.

Didžiulis Maksvelo lygčių privalumas yra tas, kad tai bendros lygtys, taikomos visuose situacijose. Iš Makslelo lygčių gali būti išvesti visi anksčiau žinoti elektros bei magnetizmo dėsniai ir daug kitų, iki tol neatrastų rezultatų.

Svarbiausieji rezultatai buvo gauti paties Maksvelo. Su jo lygtimis galima įrodyti, jog įmanomi periodiški elektomagnetinio lauko virpesiai. Tokie virpesiai, vadinami elektromagnetinėmis bangomis, kartą prasidėję, sklis išore erdve. Savo lygčių pagalba, Maksvelas sugebėjo įrodyti, kad tokių elekromagnetinių bangų greitis toks pat kaip ir šviesos, o po to teisingai padarė iššvadą, kad pačią šviesą sudaro elektromagnetinės bangos.

Taigi Maksvelo lygtys yra ne tik pagrindiniai elektros ir magnetizmo dėsniai, bet ir tai pat pagrindiniai optikos dėsniai. Iš jo lygčių galima išvesti visus anksčiau žinotus optikos dėsnius ir daugelį kitų nežinomų faktų.

Regima šviesa yra ne vienintelis įmanomas elekromagnetinio spinduliavimo tipas. Maksvelo lygtys įrodė, kad gali egzistuoti ir kitokių elekromagnetinių bangų, besiskiriančių nuo regimos šviesos ilgiu ir didžiu. Šias teorines išvadas vėliau akivaizdžiai patvirtino Henrikas Hercas, kuriam pavyko ir aptikti, ir išgauti nematomas ba
angas, apie kurių egzistavimą spėjo Maksvelas. Dar po kelerių metų Guljelmas Markonis pademonstravo, kaip tos nematomos bangos gali būti naudojamos belaidžiams ryšiams. Šiandien jos naudojamos ir televizijai. Rengeno, gama, infraraudonieji, ultravioletiniai spinduliai yra kiti elektromagnetinio spinduliavimo pavyzdžiai. Visi jie gali būti tyrinėjami Maksvelo lygčių pagalba.

Nors Maksvelas išgarsėjo pirmiausia dėl savo įnašo į elektromagnetiką ir optiką, jis turi svarbių nuopelnų ir daugeliui kitų mokslo sričių, tarp jų ir astronomijos teorijai bei termodinamikai. Ypač jis domėjosi kinetine dujų teorija. Maksvelas suprato, jog ne visos dujų molekulės juda ne tuo pačiu greičiu. Vienos juda lėtai, kitos – greičiau, dar kitos – labai greitai. Maksvelas sudarė formulę, labai tiksliai parodančią, kaip judės tam tikrų dujų molekulių grupė (neatsižvelgiant į temperatūrą). Ši formulė vadinama Maksvelo distribucija, yra viena labiausiai naudojamų mokslinių lygčių ir taikoma daugelyje svarbių fizikos šakų.

Maksvelas darbe “Apie Faradėjaus jėgų linijas” (1855 – 1856) suformulavo metodą ir iš esmės nematė elektromagnetinių reiškinių tyrimų programą, remiantis artiveikos požiūriu.

Apie šio darbo įvadą vokiečių fizikas rašė: “Jis parodo, kaip mažai jo vėlesni atradimai priklausė nuo atsitiktinumo; be to, jis parodo, kad jis dirbo pagal iš anksto gerai apgalvotą planą. Apie panašų planą turbūt mąstė daugelis mokslininkų, bet nedaugelis jų suvokė jį taip aiškiai ir turėjo pakankamai tiesumo, kad iš anksto paaiškintų jį
į taip paprastai”.
Sekantį elektromagnetinio lauko teorijos tyrimą Maksvelas pateikė darbuose “Apie fizikines jėgų linijas” (1861 – 1862), ” Elektromagnetinio lauko dinaminė teorija” (1864), “Traktatas apie elektrą ir magnetizmą” (1873).
Elektromagnetizmo teorijos sukūrimas – svarbiausias iš didelio rato problemų (įskaitant šilumos kinetinės teorijos, dinamikos astrofizikos, spalvųregėjimo problemas ir kt. ), kurios Maksvelas darbuose buvo puikiausiai išspręstos. Mokslininkas taip pat sukonstravo ir pagamino įvairius prietaisus ir eksperimentinę įrangą. Maksvelo prietaisų kolekcija šiuo metu saugoma Kevendišo labaratorijoje. Maksvelas paruošė spaudai ir 1879 m. išleido H. Kevendišo (1731 – 1810) rankraščius apie elektrą, kurie, jam gyvam esant, nebuvo išspausdinti.

Iš Maksvelo darbo “Elektromagnetinio lauko dinaminė teorija”

Akivaizdžiausias mechaninis reiškinys, atliekant eksperimentus su elektra ir magnetais, yra sąveika, dėl kurios tam tikrose būsenos esantys kūnai priverčia judėti vienas kitą, nors tarp jų yra gana didelis nuotolis.

Todėl, siekiant moksliškai traktuoti šiuos reiškinius, pirmiausiai reikia nustatyti tarp kūnų veikiančios jėgos dydį ir kryptį, ir jeigu randama, kad ši jėga kažkiek priklauso nuo kūnų santykinės padėties ir jų elektrinės bei magnetinės būsenos, tai iš pirmo žvilgsnio atrodys natūralu aiškinti šiuos faktus, darant prielaidą, kad egzistuotuoja kažkas, esantis kiekviename kūne rimties arba magnetinę ir galintis veikti per atstumą pagal matematikos dėsnius.

Tokiu būdu atsirado statinės elektros, magnetizmo, mechninio veikimo tarp laidininkų, kuriais teka srovė, matematinės teorijos ir srovių indukcijos teorija.

Šiuose te

eorijose jėga, veikianti tarp dviejų kūnų, nagrinėjama tik kaip priklausanti nuo kūnų būsenos ir jų santykinės padėties, nekreipiant dėmesio į aplinką.

Šiuose teorijose laikomas daugiau ar mažiau galimu egzistavimas substancijų, kurių dalelėms būdingas gebėjimas veikti viena kitą per atstumą.

.Šių faktų aiškinimo aš bevelijau ieškoti kitur, darydamas prielaidą, kad tai yra rezultatas procesų, vykstančių tiek kūnus supančioje aplinkoje, tiek ir pačiuose sužadituose kūnuose, ir bandydamas paaiškinti sąveiką tarp vienas nuo kito nutolusių kūnų, atmesdamas mintį, kad egzistuoja jėgos, galinčios betarpiškai veikti per atstumus.

Teorija, kurią aš siūlau, gali būti pavadinta elektromagnetinio lauko teorija, nes ji susieta su erdve, supančia elektrinius ir magnetinius kūnus, ir gali būti pavadinta taip pat dinamine teorija, kadangi ji laiko galimu, kad šioje erdvėje egzistuoja materija, esanti judėjime, kurioje ir vyksta stebimi elektromagnetiniai reiškiniai.

Elektromagnetinis laukas – tai ta erdvės dalis, kurioje egzistuoja ir yra jos apsupti elektrinės arba magnetinės būsenos kūnai.

Bendrosios lygtys toliau taikomos magnetinio trikdymo, sklindančio per nelaidų lauką, atveju, ir parodoma, kad vieninteliai trikdymai, kurie gali sklisti tokiu būdu, tai trikdymai, veikiantys skersai sklidimo krypties, ir kad sklidimo greitis v.

Šis greitis taip artimas šviesos greičiui, kad, atrodo, mes turime rimtą pagrindą padaryti išvadą, kad pati šviesa (be kita ko, ir spindulinė šiluma bei kiti spinduliavimai) yra bangų formos elektromagnetinis trikdymas.

Heinrichas Rudolfas Hercas
(1857 – 1894) –
Vokiečių fizikas, svarbiausių elektrodinamikos darbų autorius. Hercas gimė Hamburge advokato šeimoje. Mokydamasis gimnazijoje, domėjosi technika, eksperimentais. Ruošdamasis tapti inžinieriumi, mokėsi Aukštojoje technikos mokykloje Drezdene, po to Miuncheno universitete. Čia jis galutinai apsisprendė studijuoti fiziką, perėjo į Berlyno universitetą. Tuo metu ten dirbo įžymūs vokiečių fizikai H. Helmholscas, jis buvo apdovanotas Berlyno universiteto aukso medaliu. Už kitą teorinio pobūdžio eksperimentą jam buvo suteiktas daktaro laipsnis su pagyrimu, po to trejus metus jis dirbo Helmholco asistentu. Jau būdamas Karlsruhės miesto Aukštosios technikos mokyklos profesoriumi (1885-1889), Hercas atliko savo garsiuosius aukštadažnių elektromagnetinių virpesių bandymus, kurie padėjo jam atrasti elektromagnetines bangas. Jų eksperimentinį tyrinėjimą Hercas užbaigė Bonos universitete, kuriame jis nuo 1889m. buvo eksperimentinės fizikos profesoriumi. ,,Herco bangų” plataus pritaikymo radijo ryšiui pagrindus padėjo Popovo radijo išradimas. Pats Hercas abejojo, kad jo atradimas galėtų būti pritaikytas technikoje, nes bangų jo bandymuose ir atstumai, per kuriuos jos buvo aptinkamos, buvo nedideli.

Hercas atliko gana daug kitų fizikos darbų. Pavyzdžiui, jis aptiko, kad, kai į elektrodus, ypač į rezonatoriaus katodą, krinta vibratoriaus kibirkšties šviesa, banga rezonatoriuje ilgėja. Hercas ištyrė ir aprašė šį reiškinį (1886 – 1887). Taip buvo atrastas reiškinys, vėliau pavadintas išoriniu fotoefektu.

Herco vardu pavadintas virpesių dažnio vienetas – hercas .
Kai Maksvelas paskelbė savo darbus, kuriuose buvo nagrinėjama elektromagnetinio lauko teorija ir spėjama aoie elektromagnetinių bangų egzistavimą, fizikai toli gražu ne iš karto patikėjo šios teorijos teisingumu. Daugelis jų ir toliau laikėsi toliveikos teorijos. Kad Maksvelo teorija taptų visuotinai pripažinta, ją reikėjo įrodyti bandymais.

Įrodyti pavyko tik 1888m., kai įžymus vokiečių fizikas H. Hercas pirmą kartą eksperimentiškai aptiko elektromagnetines bangas. Herco bandymai patvirtino, kad elektromagnetinių bangų greitis prilygsta šviesos greičiui ir kad šioms bangoms būdingos taip pat ir kitos šviesos savybės. Įdomu pažymėti, kad iš pradžių Hercas nebuvo įsitikinęs Maksvelo teorijos teisingumu ir tuo patikėjo tik savo eksperimentų tyrimų proceso metu.

Iš H. Herco veikalo ,,Apie elektrodinamines bangas ore ir apie jų atspindį”

Neseniai aš bandžiau bandymu įrodyti, kad indukcinis veiksmas ore sklinda baigtiniu greičiu. Samprotavimai, kuriais remėsi šis įrodymas, man atrodo visai įtikinami. Tačiau, kadangi jie buvo išvedami palyginus sudėtingu būdu ir, remiantis pakankamai sudėtingais faktais, todėl jie gali pasirodyti ne visai akivaizdūs tiems, kurie iš pat pradžių žiūri į tuos samprotavimus su tam tikru išankstiniu neigiamu nusistatymu. Todėl tikslinga prieš tai pateiktą įrodymą papildyti nagrinėjimu toliau aprašomų reiškinių, kuriuose betarpiškai pastebima, kad indukcija ore sklinda kaip bangos. Be to, šie nauji reiškiniai suteikia galimybę betarpiškai išmatuoti bangos ilgį ore. Aplinkybė, jog joks betarpiškai išmatuotas ilgis tik labai mažai skiriasi nuo netiesioginių matavimų, atliktų anksčiau su tuo pačiu aparatu, įrodo, kad ir ankstesnis įrodymas iš esmės buvo teisingas.

Bandymais tirdamas tiesaus vibratoriaus įtaką tam tikram antriniam laidininkui, aš ne kartą pastebėjau reiškinius, Kuriuos turbūt galima aiškinti indukcinio veikimo atspindžiu nuo patalpos sienų. Pavyzdžiui, daugeliu atvejų pasisekdavo stebėti silpnas kibirkštis antrinėje grandinėje tokiose padėtyse, kuriose jų atsiradimo negalima paaiškinti tiesioginiu veikimu, remiantis jau geometrinėmis simetrijos sąvokomis, būtent, arti tvirtų sienų.

Ypač būdingi atrodo man šie stebėjimai: tyrinėdamas kibirkštis antriniame laidininke, esančiame labai toli nuo pirminio, kuriame, be abejo, kibirkštys buvo labai silpnos, aš pastebėjau, kad daugumoje antrinės grandinės padėčių kibirkštys ryškiai sustiprėja, tačiau kai aš prisiartindavau prie tvirtos sienos, tai visiškai arti prie pastarosios jos beveik tučtuojau dingdavo. Man atrodė, kad paprasčiausiai tai galima paaiškinti taip: bangomis sklindantis indukcinis veikimas atsispindi nuo sienų, be to, atsispindėjusios bangos vienose vietose sustiprina krintančias, kitose – susilpnina, tokiu būdu dėl abiejų bangų interferencijos ore susidaro stovinčios bangos. Gerinant bangų atspindžio sąlygas, šis reiškinys darėsi vis aiškesnis, o siūlomas aiškinamas atrodė vis labiau įtikinamas. Aš betarpiškai pereisiu prie pagrindinių tyrimų aprašymo.

Fizikos auditorijos, kurioje buvo atliekami šie bandymai, ilgis apie 15m,lpotis 14m ir aukštis 6m. Siekiant suteikti sienai laidaus aviršiaus savybes, prie jos buvo pritvirtintas 4m aukščio ir 2m pločio cinko lakštas.Vielomis jis buvo sujungtas su dujotekio vamzdžiais ir artimiausiu vandentiekio vamzdžiu, ypač stengiantis pagal galimybę palengvinti elektros, galinčios usikaupti lakšto viršutiniame ir apatiniame pakraštyje, nutekėjimą.

Priešais šio lapo vidurį, 13m atstumu, t.y. per 2m nuo priešingos sienos, buvo įtaisytas pirminis laidas. Tai buvo tas pats laidas, kurį anksčiau taikiau sklidimo greičių tyrimams. Šis laidas dabar buvo įtaisytas vertikalia kryptimi. Pirminio laidininko vidurys buvo pakeltas virš grindų per 2,5m. Tokiame aukštyje buvo atliekami ir stebėjimai. Vertikalioji plokštuma, lygegreti normalei, mūsų bandymuose yra svyravimų plokštuma; plokštumą, statmeną normalei, pavadinkime bangų plokštuma.

Antrinę grandinę sudarė jau anksčiau panaudotas laidinikas, sulenktas į 35cm spindulio skritulį. Jis galėjo suktis apie ašį, einančią per jo vidurį ir statmeną jo plokštumai. Atliekant bandymus, ši ašis buvo horizontali. Ji buvo įtvirtinta mediniame pastove taip, kad galima būtų sukti drauge su kontūru apie vertikalią ašį. Kadangi stebėtojo kūnas daro tam tikrą įtaką, reikia stebėti iš tam tikro atstumo. Kibirkštys buvo pakankamai stiprios,jas buvo galima pastebėti už kelių metrų.

Reiškinys, kuris šiomis sąlygomis ypatingai svarbus, yra toks: mes sutapdiname mūsų antrinės grandinės vidurinį tašką su normale, jo plokštumą patalpiname svyravimų plokštumoje ir po to pasukame kibirkšties tarpą iš pradžių į atspindinčiž sieną, po to priešinga kryptimi. Galima suderinti kibirkščių ilgį taip atsigręžus gaunamos pastovios kibirkštys. Jeigu pakartosime bandymą 3m atstumu nuo sienoe, stebėsime priešingą vaizdą.Paveikslo I, II, III ir IV vietose pavaizduota antrinė grandinė stipriausią kibirkščių sisidarymą atitinkančiose padėtyse. Šieme paveiksle aiškiai matyti kintamasis erdvės būsenos pobūdis.

Leave a Comment