Культура. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Научный метод

Метод (греч. – буквально “путь к чему-либо”) – в самом общем значении способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.

Научный метод представляет собой процедуру получения научного знания, которая позволяет его получить, воспроизвести, проверить и передать другим. Американский философ Т. Кун выдвинул концепцию познания как непрерывную смену парадигм, т.е. моделей постановки проблем и методов их решения.

Наука начинается с проблем. Проблемы возникают либо как следствие противоречия в отдельной теории, либо при столкновении разных теорий, либо как результат столкновения теории с наблюдением или экспериментом. При поиске научной истины ученые проходят несколько этапов.

1. Постановка проблемы на основе наблюдаемых фактов.

2. Формулирование одной или нескольких гипотез, основанных на уже известных фактах и некоторых допущениях.

3. Предсказание следствий из каждой гипотезы.

4. Проведение экспериментов с целью проверки правильности предсказанных следствий.

5. Формулировка заключения, в котором согласовываются гипотеза, логические следствия из нее и результаты проведенных экспериментов. Гипотеза становится теорией, если три указанных фактора согласуются между собой. Если же между этими факторами наблюдается несоответствие, то гипотеза должна быть пересмотрена или совсем отвергнута.

Таким образом, решающим звеном в научном исследовании является экспериментальная проверка высказанных гипотез; истинно научные теории отличаются от лженаучных в первую очередь отсутствием опытного подтверждения последних.

Методы научного познания принято подразделять по степени их общности и широте применимости в процессе научных исследований на всеобщие, общенаучные и частнонаучные.

Всеобщие методынаучного познания– диалектический и метафизический. Метафизический метод познания рассматривает объекты и явления как законченные и неизменные, независимые друг от друга, лишенные внутренних противоречий. Диалектический метод предполагает изучение объектов и явлений со всем богатством их взаимосвязей и в постоянном развитии. Современная наука отвергает метафизические представления о нашем мире, однако необходимо отметить, что диалектические идеи всеобщей взаимосвязи и развития не могли утвердиться до того, как был пройден сложный путь изучения отдельных объектов. Так, Карл Линней в труде «Система природы» установил принцип классификации (градации) для живой природы: класс, отряд, род, вид, вариация и бинарную систему для отдельных животных и растений (1 – род, 2 – вид; напр. homo sapiens). Линней не вышел за рамки метафизических представлений и считал все виды растений и животных абсолютно неизменными. Тем не менее результатами его громадной работы по классификации живых организмов пользуются по сей день, без Линнея не было бы Дарвина с его эволюционным учением.

Общенаучные методынаучного познания: наблюдение, эксперимент, аналогия, моделирование, анализ, синтез, индукция, дедукция.

Наблюдение – целенаправленный процесс восприятия предметов действительности. Наблюдение применяется там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (напр. астрономия, гидрология, вулканология), либо там, где стоит задача изучить естественное функционирование или поведение объекта (напр. социальная психология). Наблюдение как метод предполагает наличие программы исследования, формирующейся на базе прошлых убеждений, установленных фактов и принятых концепций. Частными случаями наблюдения являются измерение и сравнение.

Эксперимент– метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Эксперимент отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, т.е. активностью субъекта по отношению к предмету исследования. Развитие естествознания выдвигает проблему чистоты наблюдения и эксперимента. Наблюдение и эксперимент подчас нуждаются в очень сложных инструментах и приборах, которые сами могут оказывать влияние на изучаемый объект. Прежде всего это относится к исследованиям микромира. Важную роль в развитии естествознания играют мысленные эксперименты, проводящиеся в случаях, когда невозможно поставить реальный эксперимент. Примерами мысленных экспериментов могут служить мысленные эксперименты Эйнштейна по проверке выводов СТО, мысленные эксперименты с демоном Максвелла и многие другие.

Аналогия – метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при изучении одного объекта, на другой. Метод аналогии основывается на сходстве объектов по определенному ряду признаков.

Моделирование – метод научного познания, основанный на изучении объектов посредством их моделей. Сущность этого метода заключается в замещении объекта исследования моделью, отображающей какие-либо стороны прототипа. В современной науке используют предметное моделирование (исследование ведется на модели, воспроизводящей определенные геометрические, физические или функциональные стороны оригинала), математическое моделирование, мысленное моделирование и компьютерное моделирование.

Анализ – процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части. Переход от изучения целого к изучению его частей осуществляется путем абстрагирования от связи частей друг с другом.

Синтез – процедура соединения различных элементов объекта в единое целое. В синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.

Индукция – метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента. Непосредственной основой индуктивного умозаключения является повторяемость признаков в ряду предметов определенного класса. На основании наблюдения достаточно широкого множества единичных фактов делается вывод об общих свойствах всех предметов, относящихся к данному классу.

Дедукция– метод научного познания, заключающийся в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам – следствиям.

Частнонаучные (специальные) методы – методы, используемые только в рамках конкретной науки (спектральный анализ, хроматография, метод кольцевания птиц и др.).

В ходе развития науки методы могут переходить из более низкой категории в более высокую. Так, эволюционный подход из биологии распространился сначала на весь цикл наук о Земле, о Вселенной, а в настоящее время уже сформулирован принцип универсального эволюционизма, охватывающий все сферы бытия.

Мы уже говорили о том, что конечный продукт науки – это прежде всего научное знание, обладающее определенными свойствами. Это научное знание обычно выражается в законах науки, адекватно отражающих действительность. В природе существуют объективные закономерности – устойчивые, повторяющиеся связи между предметами и явлениями. Законы – отражение этих закономерностей в нашем сознании; часто законы формулируются в виде количественных соотношений между определенными величинами. Принято различать законы по степени их общности: менее общие (касающиеся ограниченной области знания, напр. закон естественного отбора); более общие (распространены в нескольких смежных областях); всеобщие (фундаментальные законы бытия, напр. принцип универсального эволюционизма).

История естествознания

Научное знание не является раз и навсегда данным феноменом, объем и содержание его постоянно меняются, происходит появление новых гипотез, теорий и отказ от старых. Каков механизм развития научного знания, как соотносятся в науке старое и новое, какие существуют модели развития науки?

В настоящее время сосуществуют три основные модели исторических реконструкций науки.

1. История науки как кумулятивный, поступательный, прогрессивный процесс.

2. История науки как развитие через научные революции.

3. История науки как совокупность индивидуальных, частных ситуаций (кейс стадис).

Долгое время господствующей моделью развития научного знания была кумулятивистская , тесно связанная с философией позитивизма. Эта модель строится на идее, что каждый последующий шаг в науке можно сделать, лишь опираясь на предыдущие достижения, поэтому новое научное знание всегда лучше и совершеннее старого, более точно отражает действительность. Предшествующее развитие науки является лишь подготовкой ее современного состояния. Значение имеют только те элементы научного знания, которые соответствуют современным теориям; отвергнутые идеи, признаваясь ошибочными, являются не более чем недоразумениями, заблуждениями, отклонениями от магистрального пути развития науки.

В связи с общим кризисом позитивизма в середине XX в. в науку проникают идеи прерывности развития, особенности, уникальности отдельных периодов в развитии научного знания. Эти идеи четко формулируются в модели научных революций. Согласно этой модели научного познания развитие естествознания не является монотонным процессом количественного накопления знаний об окружающем мире. В развитии науки имеются переломные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы получили название научных революций. Представление о научной революции имело место и у сторонников эволюционизма, но они понимали научную революцию лишь как ускоренное эволюционное развитие. Новая трактовка научной революции основывается на идее абсолютной прерывности хода развития научного знания. В знаменитой работе “Структура научных революций” Т. Кун ввел понятие парадигмы. Парадигма – признанные всеми научные достижения, способ организации научного знания, которые в течение определенного времени дают научному сообществу определенное видение мира, модель постановки проблем и их решения. Переход от одной парадигмы к другой происходит в ходе научных революций. В ходе революции парадигма возникает сразу как целое в своей завершенной и совершенной форме; она не требует сколько-нибудь существенной доработки, идет лишь уточнение понятий, совершенствование техники эксперимента. С одной стороны, это сильно ограничивает поле зрения ученого, ведет к упорному сопротивлению всяким изменениям в парадигме. Поэтому смена парадигмы возможна только вместе со сменой поколений ученых – все сторонники старой парадигмы должны отойти от научной деятельности и уступить место молодым. С другой стороны, наука становится все более строгой внутри тех областей, на которые парадигма ориентирует исследователей, накапливается подробная информация. Только тот, кто в совершенстве знает свою область исследования, формирует соответствующие предсказания, способен распознать отклонения от них, увидеть аномалии на фоне парадигмы.

К новому изменению парадигмы приведут только те аномалии, которые являются свидетельством действительного кризиса науки. При этом недостаточно осознания кризисной ситуации, исчерпания всех средств, представленных старой парадигмой. Отказ от нее происходит, только если у нее есть альтернатива.

Идея научных революций представляет развитие научного знания как абсолютно прерывистое. Вся прошлая история рассматривается как постепенное, прогрессивное движение в сторону современной теории, являющейся на сегодняшний день кульминацией, вершиной всей предыдущей истории. Наступает революция, возникает новая фундаментальная теория и происходит новая радикальная ломка прошлого, которое перестраивается как предыстория новой теории. Каждая научная теория влечет за собой разрушение прошлого и построение истории заново.

Таким образом, научная революция – это специфическое явление, возникающее только в определенные периоды развития науки как средство разрешения ее внутренних противоречий, изменение ее содержания. В историческом развитии научного познания можно выделить несколько типов научных революций: частная – микрореволюция, затрагивающая одну область знания; комплексная – революция, затрагивающая ряд областей знания; глобальная – всеобщая революция, радикально меняющая основания науки.

Первую научную революцию обычно относят к XV-XVI вв. – эпохе, оставившей глубокий след в культурной истории человечества. Этот период ознаменовал переход от Средневековья к Новому времени и назван эпохой Возрождения. Характерными приметами этого времени были возрождение культурных ценностей античности, расцвет искусства, утверждение идей гуманизма. Радикальное изменение миропонимания, произошедшее в эпоху Возрождения, связано в первую очередь с появлением гелиоцентрической системы мира Николая Коперника и учением о множественности миров Джордано Бруно.

Вторая научная революция пришлась на XVII-XVIII вв. и связана с именами Г. Галилея, И. Кеплера, И. Ньютона, Р. Декарта и др. Основы нового механистического естествознания были заложены в трудах Галилея, сформулировавшего принцип инерции, исследовавшего свободное падение тел и оценившего высокую значимость опытного знания. Важную роль в истории естествознания сыграл немецкий математик и астроном И. Кеплер, установивший на основании обобщения астрономических наблюдений три закона движения планет Солнечной системы. Величайший ученый всех времен И. Ньютон обессмертил свое имя открытиями в различных областях знания и, в первую очередь, открытием и математическим описанием законов механического движения и всемирного тяготения. Была создана механистическая картина мира, согласно которой Вселенная была вечной и неизменной, а все явления сводились к перемещению тел в пространстве и во времени и были жестко детерминированы законами механики.

В середине XIX в. произошло несколько комплексных научных революций одновременно. Особое значение имели открытия закона сохранения и превращения энергии (Ю.Р. Майер и Дж. П. Джоуль), клеточного строения живой материи (М. Я. Шлейден и Т. Шванн), периодической системы химических элементов (Д.И. Менделеев), создание эволюционного учения (Ч. Дарвин) и электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл). Сущность этих революций заключалась в диалектизации естествознания, т.е. рассмотрении предметов и явлений в процессе развития и во взаимной связи.

Глобальная научная революция начала XX в. связана с пересмотром исходных представлений о пространстве и времени, созданием специальной и общей теории относительности, крушением механистической модели мира и созданием квантовой механики.

К середине XX в. относят начало глобальной научно-технической революции, знаменующей коренное, качественное преобразование производительных сил общества и небывалое ускорение научно-технического прогресса на основе быстрой реализации достижений науки во всех сферах человеческой деятельности. Сама научная деятельность в настоящее время тесно связана с революцией в средствах хранения и получения информации. Объектами современного научного познания становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и самоорганизацией.

С 70-х годов нашего столетия в методологии науки стало разрабатываться новое направление кейс–стадис, которое называют также направлением ситуационных исследований. Это направление является антиподом линейных моделей развития науки. В кейс – стадис ставится задача понять прошлое событие не как вписывающееся в единый ряд развития и обладающее какими-то общими чертами с другими событиями, а как неповторимое, невоспроизводимое в других условиях. Ранее исследователь стремился изучить как можно больше фактов, чтобы обнаружить в них нечто общее и на этом основании вывести общие закономерности. Теперь исследователь изучает факт как событие – результат многих особенностей развития науки, сходящихся в одной точке с тем, чтобы отличить ее от других. Элементарное событие не приобщается к некоторому всеобщему, находящемуся вне его, а, наоборот, это всеобщее обнаруживается в нем самом и через общение с другим особенным событием. Историческая картина, складывающаяся на базе кейс – стадис, представляет собой что-то вроде плоскости с возвышающимися холмами и пиками, изображающими события меньшей и большей значимости. Между событиями устанавливаются диалогические отношения, сосуществуют разные теории и парадигмы.

Микро-, макро- и мегамиры

Основным понятием естествознания является понятие материи. Классическое определение материи дал В.И. Ленин в книге «Материализм и эмпириокритицизм»: «Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».

В определении материи существенны два положения: материя существует объективно, т.е. вне зависимости от чьего бы то ни было сознания или ощущений; материя копируется, отображается нашими ощущениями, следовательно, она познаваема. Материя находится в непрерывном движении, под которым в философии понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, оно несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Принципы относительности

В формировании современных представлений о пространстве и времени большую роль сыграли принципы относительности. Эти принципы формулируются для т.н. инерциальных систем отсчета.

Инерциальными системами отсчета (СО) называются СО, движущиеся равномерно и прямолинейно. Системы отсчета, движущиеся с ускорением, называются неинерциальными.

Необходимо отметить, что если в природе существует одна инерциальная система отсчета, то их имеется бесконечное множество. На самом деле в реальном мире не встречаются в полной мере инерциальные системы отсчета. Так, Земля вращается вокруг своей оси и движется по криволинейной траектории вокруг Солнца, следовательно, обладает нормальным (центростремительным) ускорением. Солнце движется вокруг центра Галактики и т.д. Обычно при решении технических задач можно пренебречь ускорением Земли и считать инерциальной систему отсчета, связанную с земной поверхностью (геоцентрическая СО). Однако в ряде случаев неинерциальность СО, связанной с Землей, оказывает существенное влияние на характер рассматриваемых относительно нее механических явлений (например, вращение плоскости качаний маятника Фуко). В этом случае инерциальной считают систему отсчета, центр которой совмещен с Солнцем, а оси направлены на соответствующим образом выбранные звезды (гелиоцентрическая СО).

Согласно принципу относительности Галилея уравнения динамики оказываются инвариантными (т.е. не изменяются) при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой. Никакими механическими опытами, проведенными в данной системе отсчета, нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится. Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля. Он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки каюты, а спокойно перемещаются по всему объему. Если подбросить мячик вертикально вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

Принцип относительности Эйнштейна является обобщением механического принципа относительности на любые физические процессы. Никакими опытами (механическими, электрическими, оптическими и др.), проведенными в данной инерциальной СО, нельзя установить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных СО; уравнения, выражающие эти законы, инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Таким образом, принципы относительности утверждают, что все инерциальные системы отсчета являются эквивалентными.

Изотропность пространства и

Концепции описания природы

Вещество и поле

Формами существования материи являются вещество и поле. Под веществом обычно понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя. Поле (физическое) – особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц (тел) на другие. Поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и некоторыми другими свойствами. Выделяют гравитационное, электростатическое, магнитное, электромагнитное поля, поля сильных и слабых взаимодействий.

В классической физике поле и вещество противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретная, а у второго – непрерывная. Квантовая физика внесла идею о двойственной корпускулярно-волновой природе любого микрообъекта. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Поля входят в структуру вещества: во всех системах внутреннее пространство ”занято” полями, на долю собственно частиц приходится ничтожно малая часть общего объема системы. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей проявляется единство прерывности и непрерывности в структуре материи.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества тоже нельзя представить в виде микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей и нельзя указать, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. Микрообъекты также обладают волновыми свойствами.

После работ Ньютона и триумфа закона всемирного тяготения в науке утвердилась концепция дальнодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между телами осуществляется непосредственно через пустое пространство и происходит мгновенно. Считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну.

Открытие и исследование электромагнитного поля привело к другим представлениям о передаче взаимодействия. Было установлено, что перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы не мгновенно, а с некоторым запаздыванием. Каждая заряженная электрическая частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы. Другими словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Позднее эти представления распространили на любые другие взаимодействия, возникла новая концепция близкодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между любыми объектами осуществляется посредством тех или иных полей, которые распространяются в пространстве с конечной скоростью.

Электростатическое поле

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех заряженных элементарных частиц одинаков по абсолютной величине и равен 1,6×10^-19 Кл. Носителем элементарного отрицательного электрического заряда является, например, электрон. Протон несет положительный заряд, нейтрон электрического заряда не имеет. Атомы и молекулы всех веществ построены из протонов, нейтронов и электронов. Обычно протоны и электроны присутствуют в равных количествах и распределены в веществе с одинаковой плотностью, поэтому тела нейтральны. Процесс электризации заключается в создании в теле избытка частиц одного знака или в их перераспределении (создании в одной части тела избыток заряда одного знака; при этом в целом тело остается нейтральным).

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами осуществляется через особую форму материи, называемую электростатическим полем. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электростатическое поле. Это поле проявляет себя в силовом действии на любой электрический заряд, помещенный в какую-либо его точку. Опыт показывает, что отношение силы , действующей на точечный заряд q, помещенный в данную точку электростатического поля, к величине этого заряда для всех зарядов оказывается одинаковым. Это отношение называется напряженностьюэлектрического поляи является его силовой характеристикой

(4.4)

Заряды, помещенные в электростатическое поле, обладают потенциальной энергией. Опыт показывает, что отношение потенциальной энергии W положительного точечного заряда q, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда есть величина постоянная. Это отношение является энергетической характеристикой электростатического поля и называется потенциалом

φ = W/q. (4.5)

Потенциал электростатического поля численно работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в бесконечность.

Напряженность электростатического поля и его потенциал связаны между собой соотношением

. (4.6)

Знак “–“ в формуле (4.6) означает, что вектор напряженности гравитационного поля направлен в сторону уменьшения потенциала.

Для графического изображения электростатического поля, как и в случае поля тяготения, используют силовые линии и эквипотенциальные поверхности. На рисунке 8 представлены силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечного электрического заряда и силовые линии электрического диполя – системы двух близко расположенных одинаковых по модулю электрических зарядов разного знака.

Видно, что электростатическое поле точечного заряда является неоднородным и центральным. Силовые линии электростатического поля оказываются разомкнутыми: они могут начинаться или заканчиваться только на зарядах либо уходить в бесконечность. Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Магнитное поле

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током и постоянные магниты. Название “магнитное поле” связывают с фактом ориентации магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (Х. Эрстед, 1820).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током, поворачивая их определенным образом. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого свободно устанавливается ось тонкой магнитной стрелки в направлении с юга на север или положительная нормаль к плоскому контуру с током.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Магнитная индукция в данной точке численно равна максимальному вращающему моменту, действующему на плоскую рамку с током с магнитным моментом 1 А×м²:

B=M_max./p_m. (4.8)

Так как магнитное поле является силовым, то его изображают с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции . Силовые линии магнитного поля можно “проявить” с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам. Опыт показывает, что линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от силовых линий электростатического и гравитационного полей, которые являются разомкнутыми. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.

На рисунке 9 представлены силовые линии магнитных полей, созданных различными источниками.

Большое значение для человека имеет магнитное поле Земли. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Считается, что главная часть постоянного геомагнитного поля связана с вихревыми электрическими токами, текущими в верхних слоях земного ядра. Магнитный и географический полюса Земли не совпадают друг с другом (рисунок 10). Северный магнитный полюс N лежит в южном полушарии вблизи берегов Антарктиды. Южный магнитный полюс S лежит в северном полушарии вблизи острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 0,2 градуса в год по долготе.

Рисунок 9 – Силовые линии магнитных полей

А) подковообразного магнита; Б) прямолинейного проводника с током;

В) кругового витка с током.

Рисунок 10 – Магнитное поле Земли

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются (приобретают магнитный момент), т.е. являются магнетиками. Согласно предположению Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи называются микротоками (в отличие от макротоков, текущих в проводниках). Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. В зависимости от поведения в магнитном поле все вещества делятся на диа-, пара- и ферромагнетики.

Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. К диамагнетикам относятся многие металлы (Bi, Ag, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д. Атомы диамагнетиков не имеют собственных магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле электронные орбиты совершают прецессионное движение вокруг направления внешнего магнитного поля (подобно тому, как диск волчка прецессирует вокруг вертикальной оси при замедлении движения). Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то согласно правилу Ленца он создает магнитное поле, направленное против внешнего. Такие наведенные поля атомов складываются и создают собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют собственные магнитные моменты (например, редкоземельные элементы, Pt, Al и т.д.). Магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль магнитного поля, тем большая, чем больше В, и тем меньшая, чем выше температура. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее, поэтому остается незаметным.

Помимо слабомагнитных веществ – диа- и парамагнетиков – существуют еще сильномагнитные вещества, называемые ферромагнетиками. К их числу кроме железа принадлежат кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения и т.д. Ферромагнетизм присущ этим веществам только в кристаллическом состоянии. Намагниченность ферромагнетиков в огромное (до 10¹⁰) число раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков. Магнитная проницаемость железа, например, равна 5000, а для сплава супермаллоя – 800000. Важной особенностью ферромагнетиков является существование гистерезисаи остаточной намагниченности (в отсутствии внешнего магнитного поля), что делает возможным изготовление постоянных магнитов. Основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом (1928). Согласно этой теории при определенных условиях в кристаллах могут возникать т.н. обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают домены (области спонтанного намагничивания). В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны. Под действием внешнего магнитного поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

Электромагнитные волны

Электромагнитная теория Максвелла (1865) позволила с единой точки зрения объяснить электрические и магнитные явления и связать их с явлениями оптическими. Из этой теории следует, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля. Магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями. Электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если система неподвижных относительно некоторой СО зарядов создает электрическое поле, то относительно другой инерциальной СО эта система зарядов движется и, следовательно, порождает магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной СО проводник с постоянным током возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных СО, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Одним из важнейших выводов теории Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. Теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение в опытах Г. Герца (1888).

Источником электромагнитных волн может быть любой электрический колебательный контур или проводник, по которому течет переменный ток.

Плоские электромагнитные волны описываются уравнениями

<