Od linii sił Faradaya do fal elektromagnetycznych Maxwella. Koncepcja oddziaływania na odległość

0
12

W połowie XIX wieku zjawiska magnetyczne i elektryczne były już analizowane. Opisy realizowano za pomocą oddziaływań na odległość. Choć pomysł relacji tego rodzaju nie był przez niektórych przyjmowany z entuzjazmem (jak można działać nie będąc fizycznie obecnym?), trudno było polemizować z autorytetem samego Newtona, którego oddziaływania grawitacyjne dwóch ciał skorelowane były odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między nimi i stanowiły wskazówkę także dla relacji innego rodzaju. 

Elektryczność i magnetyzm

Ustalono, iż ładunki elektryczne i bieguny magnetyczne także przyciągały się lub odpychały z siłą odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości (w przypadku ładunków elektrostatycznych na działającą siłę wpływał dodatkowo iloczyn ich wartości, w przypadku magnesów iloczyn siły poszczególnych biegunów). Także przepływające w przewodnikach prądy elektryczne oddziaływały ze sobą – równoległe przewodniki z prądem płynącym w tym samym kierunku przyciągały się. 

Początkowo uważano jednak, że elektryczność i magnetyzm są oddzielnymi dziedzinami, nie mającymi ze sobą nic wspólnego. Nie istniała więc żadna teoria obejmująca kompleksowo zjawiska elektryczne oraz magnetyczne. Pewne eksperymenty wskazywały jednak, iż oba obszary badań mogą się przenikać.

Eksperymen Oersteda. Wnioski Faradaya

W 1820 roku Hans Christian Oersted odkrył, że przepływający w przewodzie prąd odchyla igłę magnetyczną, a chwilę później Michael Faraday zauważył, iż ruchomy magnes generuje prąd. Wieloletnie badania Faradaya nad zjawiskami elektromagnetycznymi zakończone zostały grubo ponad tysiącstronicowym opisem uzyskanych wyników. 3299 akapitów w trzech tomach zatytułowanych Badania doświadczalne nad elektrycznością zostały zwieńczone esejem dotyczącym fizycznego charakteru linii sił magnetycznych. Pytanie, czy przestrzeń wokół magnesu jest pusta, zaprzątało uwagę badaczy już wcześniej. Faraday zasugerował równoważność realności otoczenia magnesu z samym magnesem. Mówił o “atmosferze” magnesu lub “liniach sił”. W swoim eseju Faraday wyraził przeświadczenie fizycznie rzeczywistej istoty linii sił magnetycznych. Obszar dla zaistnienia pola magnetycznego został wyznaczony. 

Linie sił magnetycznych Faradaya

Faraday był eksperymentatorem. Przy braku stosownego wykształcenia matematycznego koncentrował się bardziej na tworzeniu “wizualizacji” niż opisie za pomocą równań. Taką wizualizacją był obraz linii sił pola magnetycznego wokół magnesu. Linie takie mogą być ukazane za pomocą zmieniającej swe położenie igły kompasu (punkt po punkcie) lub rozsypanych opiłków żelaza. Linie pola magnetycznego mają określony kierunek – wychodzą z bieguna N (północnego) magnesu i biegną w kierunku bieguna S (południowego), co jest oczywiście stosowną umową. Otrzymany przez Faradaya charakterystyczny motyw posłużył mu do opisu kilku własności linii pola magnetycznego. Po pierwsze linie mają tendencję do skręcania się. Po drugie sąsiednie linie równoległe leżące po tej samej stronie odpychają się. Po trzecie sąsiednie linie równoległe wskazujące kierunek przeciwny przyciągają się, a na biegunach łączą. Dzięki temu obserwujemy przyciąganie dwóch różnoimiennych biegunów oraz odpychanie biegunów jednoimiennych.

Linie sił pola magnetycznego

Swoje obrazy linii sił Faraday określał mianem “spekulacji”. Zdawał sobie sprawę, że wyznaczone linie nie dodają nic nowego do idei oddziaływania na odległość. A jednak, przyciągając się i odpychając, dawały możliwość wyeliminowania koncepcji sił działających właśnie w ten sposób, bezpośrednio przyczyniając się do opracowania teorii pola elektromagnetycznego. 

Matematyczne ubranie Maxwella

Wizualizację Faradaya na język matematyki przełożył jego wielki admirator James Clerk Maxwell. W efekcie powstały słynne cztery równania stanowiące kompletny model linii sił, opisujące elektryczne i magnetyczne pola tworzone przez ładunki i prądy. Zachwycające piękno tego matematycznego zapisu pozostaje wciąż żywe i komentowane do dziś przez tych, którzy potrafią dostrzec urok Natury zaklętej w algebraicznych symbolach. Choć celem naszym nie jest analiza tych skomplikowanych równań, zaprezentujemy jednak ich postać całkową w ramach obcowania z Pięknem i kontemplacyjnych treningów.{\displaystyle \oint \limits _{L}{\vec {E}}\cdot {\text{d}}{\vec {l}}=-{\frac {{\text{d}}\Phi _{B}}{{\text{d}}t}},}{\displaystyle \oint \limits _{L}{\vec {B}}\cdot {\text{d}}{\vec {l}}=\mu I+\mu \varepsilon {\frac {{\text{d}}\Phi _{E}}{{\text{d}}t}},}{\displaystyle \varepsilon \oint \limits _{S}{\vec {E}}\cdot {\text{d}}{\vec {s}}=q,}{\displaystyle \oint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot {\text{d}}{\vec {s}}=0}

Doceniamy Piękno, ale przede wszystkim niezwykłą doniosłość maxwellowskich równań. Einstein zachwycał się śmiałością wizji, Richard Feynman uznał odkrycie praw elektromagnetyzmu jako najbardziej znaczące wydarzenie XIX stulecia. Dlaczego?

Przełomowa koncepcja pola

Kluczowe znaczenia miała w toku maxwellowskiej analizy koncepcja pola. Przed Maxwellem fizycy opisywali elektromagnetyczne działania na odległość za pomocą sił wywieranych przez ładunki. Pola w wydaniu Maxwella odrzucały ten sposób prezentacji wzajemnych oddziaływań. Pytania o rzeczywistość linii sił Faradaya i pól Maxwella ciągle były jednak otwarte. Nie wiedziano na ile są rzeczywiste, a na ile stanowią jedynie wygodne narzędzie w ramach wyliczenia oddziałujących sił. 

Fale elektromagnetyczne – jeszcze o krok dalej

Pracując nad równaniami Maxwell odwrócił prawo Faradaya. Nie tylko zmienne pole magnetyczne generowało pole elektryczne – także pole elektryczne zmieniając swoje natężenie, położenie i kierunek było w stanie wytworzyć pole magnetyczne (co zostało zawarte w prawie Maxwella-Ampere’a). Oba zjawiska umożliwiły stworzenie konstruktu teoretycznego w postaci samopodtrzymujących się fal elektromagnetycznych. Fale elektromagnetyczne okazały się podobne do fal świetlnych, co skłoniło do podejrzeń, iż w istocie światło składało się z tego rodzaju fal. Światło uzyskało tym samym nową teorię wyjaśniającą jego istotę, a pole elektromagnetyczne zyskało fizyczną namacalność. Teoretyczne dywagacje Maxwella doświadczalnie potwierdził w roku 1887 Heinrich Hertz. Od tego czasu równania Maxwella zaczęto traktować bardzo poważnie, a jego sposób rozumowania szybko zyskiwał na znaczeniu.

Fala elektromagnetyczna zbudowana jest z pól elektrycznego i magnetycznego. Zmienne pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne i odwrotnie. Oba pola podtrzymują się wzajemnie i rozchodzą w przestrzeni. Zmiany pól są okresowe. Wielkością, która określa ten parametr jest częstotliwość, i jest ona podstawową własnością fali stanowiącą o jej charakterze. ​​Fale elektromagnetyczne charakteryzowane są ponadto amplitudą i kierunkiem. Skomplikowane fale elektromagnetyczne stanowią kompilację wielu różnych fal, z których każda ma swoją amplitudę, częstotliwość i kierunek.

Eter – tajemniczy ośrodek, który być musiał, a którego nie ma

Pozostał jednak problem ośrodka, który służyłby do przenoszenia tego typu fali. Wszystkie fale znane ówczesnym fizykom potrzebowały materialnego nośnika, w którym mogły się przemieszczać w formie mechanicznych drgań. I tak wprowadzono pojęcie eteru, którego mimo usilnych prób eksperymentalnych nie udało się jednak doświadczyć. Wydawało się jednak, iż eter jest niezbędny, aby teorie Maxwella były słuszne. Początkowo zaryzykowano tezę istnienia eteru światłonośnego, potem sam Maxwell poddał pomysł eteru elektromagnetycznego, by wreszcie stwierdzający tożsamość obu eterów odkryć elektromagnetyczną specyfikę światła.

 

Linie pól magnetycznych i elektrycznych generowane przez magnesy, ładunki statyczne i płynące prądy oderwały się od swoich źródeł i zaczęły podróż w przestrzeni i historii w postaci fal elektromagnetycznych – ze Słońca, przez satelity i kuchenki mikrofalowe, odbiorniki radiowe, nadajniki WiFi, telefony komórkowe i radary. Świat zaczął płynąć na fali. Fali elektromagnetycznej. 

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments