Экспериментальное обоснование теории Максвелла

Первоначально теория Максвелла не обратила на себя должного внимания. В Германии господствовала теория Вебера и теория Максвелла не могла ее поколебать. В Англии ряд физиков «поверили» в нее, но и здесь многие ученые встретили ее прохладно.

Тем временем в области электродинамики появляются новые теории, также основанные на принципе близкодействия. Однако лучшее, на что были способны эти теории, – это объяснение ряда явлений, которые объяснялись уже существующими теориями дальнодействия. Одновременно с появлением подобных теорий теория Вебера, которая занимала ведущее положение в электродинамике, начала испытывать затруднения.

В 1870 году вопросами электродинамики занялся Гельмгольц и выступил с критикой теории Вебера, указав, что его закон противоречит закону сохранения энергии. Гельмгольц развил свою теорию электромагнитных явлений. Его теория была компромиссной по сравнению с теорией Максвелла и теориями дальнодействия. Из теории Гельмгольца следует существование электромагнитных волн, только их скорость не равна скорости света. Кроме того, в среде существуют и продольные электрические волны.

Все существующие теории приводили к одним и тем же результатам для замкнутых квазистационарных токов – и теория Вебера, и теория Максвелла, и теория самого Гельмгольца. Для выяснения правильности той или иной теории нужно было обращаться к эксперименту, но для этого нужно было поставить эксперимент с незамкнутыми и неквазистационарными токами. Гельмгольц и другие физики начинают думать над постановкой таких экспериментальных исследований.

Следует отметить, что косвенно подтверждающими теорию Максвелла были бы эксперименты, которые устанавливали связь между диэлектрической проницаемостью и показателем преломления. На это, как мы видели, указывал еще Максвелл. В 1872-1874 годах. Людвиг Больцман (1844-1906) провел серию измерений диэлектрической проницаемости некоторых веществ и их показателей преломления. Он показал, что полученные результаты согласуются с теорией Максвелла.

Русский физик П.А.Зилов (1850-1921), также ставший на сторону Максвелла, в 1875 году проверил правильность этого соотношения для некоторых жидкостей и пришел к положительным результатам.

В 1875 году Джоном Керром (1824-1907) было открыто явление двойного лучепреломления в электрическом поле. Однако все эти факты нельзя было считать решающим подтверждением теории Максвелла. Нужен был эксперимент, который бы однозначно решал вопрос в пользу той или иной теории электрических и магнитных явлений.

Впервые экспериментальные исследования, цель которых – выбор из существующих теорий правильной, проделал в 1875—1876 годах. Н.Н.Шиллер (1848-1910) в Московском и Киевском университетах.

Установка Шиллера представляла собой намагниченное стальное кольцо, подвешенное на нитях. Возле кольца помещалось острие провода, соединенного с электрической машиной. С помощью зеркальца, расположенного под кольцом, можно было измерить угол поворота кольца и определить момент сил, действующих на него. Только теория Гельмгольца предсказывала, что «конец тока» должен вызывать момент силы, действующей на кольцо. Проведя измерение, Шиллер не обнаружил действия со стороны острия на намагниченное кольцо. Отсюда следует, что теория Гельмгольца не верна, а верна или теория Вебера, или теория Максвелла.

Теперь у Гельмгольца возникает мысль выяснить действие поляризованного диэлектрика на электромагнитные явления. Такая проверка могла бы привести к решению вопроса о выборе той или иной теории электромагнитных явлений. В 1879 году по инициативе Гельмгольца Берлинская Академия наук объявила конкурсную тему «Установить экспериментально наличие связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией». Решить эту задачу Гельмгольц предложил молодому ученому Герцу.

Генрих Герц (1857—1894), размышляя над поставленной перед ним задачей, сначала пришел к неутешительному выводу о практической невозможности ее выполнения. Трудность решения задачи заключалась в том, что обнаружить электродинамическое действие диэлектрика, или, говоря другими словами, существование тока смещения, можно было только в том случае, если пользоваться очень быстрыми переменными токами, но Герц пока не знал, как их можно получить. Поэтому он отложил решение этой задачи, но к 1887 году он уже имел источник таких токов.

Это был генератор электромагнитных колебаний и волн, получивший название «вибратор Герца».

Одновременно Герц разработал и способ для их обнаружения, используя явление резонанса. Вибратор Герца состоял из двух прямолинейных проводников, на концах которых имелись металлические шары или металлические кондукторы сигарообразной формы. На других концах этих проводников помещались маленькие металлические шарики, образующие искровой промежуток. Оба проводника соединялись с концами одной из обмоток индукционной катушки. При проскакивании искры в искровом промежутке в проводниках возникали быстропеременные электрические колебания.

Для обнаружения колебаний Герц применял резонатор, который состоял из проволоки, согнутой в виде прямоугольника и имеющей искровой промежуток. Когда в искровом промежутке вибратора проскакивала искра, то и в промежутке резонатора также проскакивала искра.

С помощью подобных приборов Герц взялся за разрешение задачи, которую перед ним поставил Гельмгольц. В том же 1887 г. он уже получил важный результат, который был опубликован в работе «Об индукционных явлениях, вызываемых электрическими процессами в изоляторах».

Герц использовал установку, состоящую из вибратора и резонатора. Герц, меняя размеры искрового промежутка резонатора, нашел такие положения, при которых искры в нем не наблюдались. Взяв затем металлическую перекладину и поднося ее к вибратору, он обнаружил появление искр. Герц объяснил это наличием индукционных токов, возникающих в перекладине, которые, как и токи в вибраторе, оказывали действие на резонатор. Затем вместо металлической перекладины он подносил к вибратору брусок, который был изготовлен из материала, являющегося изолятором. Как и в случае проводника, он обнаружил эффект, который можно было объяснить, предположив, что токи смещения, индуцированные в диэлектрике, оказывают электромагнитное действие, как и токи проводимости, которые имели место в проводящей перекладине.

Таким образом, результаты опыта свидетельствовали о влиянии диэлектрика на «индукционные» процессы и устанавливали наличие «связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией». В следующем, 1888 году, продолжая эксперименты с вибратором и резонатором, Герц обнаруживает наличие стоячих электромагнитных волн в комнате, где производились опыты. Теперь уже не могло быть сомнений в правильности теории Максвелла.

Измеряя длину волн и зная период электрических колебаний вибратора, Герц подсчитал скорость распространения электромагнитных волн и установил, что ее значение равно скорости распространения световых волн. Продолжая свои исследования, Герц наблюдал интерференцию электромагнитных волн, их отражение и преломление, а также поляризацию. Все эти явления свидетельствовали о полной тождественности электромагнитных и световых волн.

Изобретение радио

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в опытах Герца произвело большое впечатление. Отныне теория Максвелла получила признание подавляющего большинства ученых.

По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, но им не удалось многого прибавить к уяснению сходства световых и электрических волн, ибо, пользуясь той же длиной волны, которую брал Герц (около 66 см), они наталкивались на явления дифракции, затемнявшие все другие эффекты. Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров, которые практически в те времена были нереализуемы.

Большой шаг вперед сделал Аугусто Риги (1850—1920), которому с помощью созданного им нового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10.6 см). Таким образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное преломление электромагнитных волн.

Работы Риги начатые в 1893 году и время от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся в научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже ставшей классической книге "optica delle oscillazioni elettriche» («Оптика электричееких колебаний»), вышедшей в 1897 году, одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи в истории физики.

В 1895 году Петр Николаевич Лебедев (1866—1912) в лаборатории Московского университета повторил опыты Герца, построив вибратор и резонатор, имеющий собственную частоту примерно в 100 раз большую, чем располагал Герц (если в опытах Герца длина волны была порядка 0.5 м, то Лебедев провел эксперимент с волнами длиной всего 6 мм).

П. Н. Лебедев дополнил исследования Герца, показав что электромагнитные волны способны испытывать двойное лучепреломление при прохождении через анизотропные среды подобно световым волнам. Электромагнитные волны, полученные Лебедевым, по длине уже были близки к инфракрасным волнам, и исследование таких волн служило дополнительным подтверждением электромагнитной теории света.

В последующих экспериментах интервал между электромагнитными и инфракрасными волнами был еще более сокращен. В 20-х годах прошлого столетия Никольс и Тир получили, используя вибратор Герца, электромагнитные волны длиной всего 1,8 мм. С другой стороны, к этому времени наблюдали инфракрасные волны длиной волны до 400 мкм. Таким образом, промежуток между радиоволнами и световыми волнами значительно уменьшился.

Он был заполнен в 1923 году в работах профессора Московского университета А.А. Глаголевой-Аркадьевой. Она сконструировала новый источник электромагнитных волн, названный массовым излучением. В этом источнике электрические искры возникали между металлическими опилками, находящимися в вязком масле. Глаголева-Аркадьева получила волны длиной от нескольких сантиметров до 80 мкм, т. е. волны, имеющие длину меньшую, чем длина известных уже инфракрасных волн.

Существенным подтверждением электромагнитной теории света явились опыты Лебедева по определению светового давления. Максвелл, как было отмечено выше, установил, что из его теории следует существование давления световых волн, падающих на границу раздела двух сред. Он определил и величину давления. Давление света очень мало, и для его обнаружения требовались очень точные эксперименты.

Лебедев преодолел все трудности и в 1901 году опубликовал исследование по опытному определению давления света на твердые тела. В его установке свет от дуговой лампы проходит систему линз и слой воды, в котором поглощается инфракрасная часть спектра, а затем попадает на специальный подвес - нить, на которой помещены очень тонкие и легкие платиновые крылышки с зачерненной и зеркальной поверхностями. Подвес помещался в стеклянном сосуде, из которого тщательно откачивался воздух. Свет, падающий на одно из крылышек, оказывает на него давление и вследствие полученного механического момента поворачивает весь подвес на некоторый угол. Для измерения энергии падающего света часть его, отражаясь от стеклянной пластинки попадает на термоэлемент. Измеряя угол поворота крутильных весов, а также энергию падающего света, можно было проверить выводы теории Максвелла.

В опытах Лебедева получена величина светового давления, которая достаточно хорошо соответствовала теории Максвелла, т. е. вновь была подтверждена электромагнитная теория света. Именно так и были восприняты экспериментальные исследования Лебедева. Известно, что У. Томсон, узнав о результатах, полученных Лебедевым, сказал: «Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Подлинным триумфом теории Максвелла было первое практическое приме-нение электромагнитных волн для связи. Уже вскоре после опубликования работ Герца была высказана идея о возможности использования открытых им электромагнитных волн для связи.

Эта идея впервые получила практическое осуществление в изобретении Александра Степановича Попова (1859—1905), который в продемонстрировал передачу и прием радиосигналов с помощью сконструированной им установки. Способность помещенного в трубку металлического порошка становиться проводящим под действием разряда находящейся рядом электростатической машины была изучена Онести (1853—1922) в 1884 году. Аналогичное открытие сделал в 1890 году французский физик Эдуард Бранли (1844-1940), который обнаружил свойство мелких опилок сильно уменьшать свое сопротивление электрическому току под действием электрических колебаний.

В 1895 году Попов, используя это открытие, построил первый приемник радиосигналов. Над трубкой с металлическими опилками (такая трубка получила название когерера) помещен электрический звонок, молоточек которого расположен над серединой трубки и может ударять по ней, встряхивая опилки. Когерер включается в цепь батареи последовательно с реле. Из-за большого сопротивления когерера, когда он не подвергается действию электрических колебаний, через всю цепь идет очень слабый ток, неспособный привести в действие реле. Но под действием электрических колебаний сопротивление когерера падает и ток через цепь с реле увеличивается. Реле срабатывает, цепь, включая электриче-ский звонок замыкается; звонок начинает звонить, при этом молоточек ударяет с когерер и встряхивает опилки. Поэтому, как только действие на когерер электрических колебаний прекращается, вся цепь снова размыкается и звонок прекращает звонить.

Сконструированный прибор Попов применял для регистрации электромагнитных сигналов от различных источников. О своем изобретении Попов сделал доклад 7 мая (н.с.) 1895 года на заседании физического отделения Русского физико-химического общества, напечатанный затем в мартовском номере журнала этого общества. В заключение своего доклада Попов отметил:

«... могу выразить надежду, что мой прибор, при дальнейшем усовершенствовании его, может быть применен к передаче сигналов на расстояния при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающих достаточной энергией».

В следующем году Попов решил указанную задачу. Наряду с приемником он построил и передатчик электромагнитных волн. 12(24) марта 1896 года он демонстрировал первую передачу и прием радиосигналов на расстоянии до 250 м. Была передана и принята первая в мире радиограмма, состоявшая из двух слов: «Генрих Герц».

Вскоре Попов, усовершенствовал свое приемопередающее устройство. Летом 1897 года он провел опыты по передаче сигнала уже на расстояние до 5 км. В 1899 году была установлена радиосвязь на расстоянии примерно 50 км.

В июне 1896 года появилось сообщение о том, что итальянец Гульельмо Маркони (1874-1937) сделал заявку на патент для аналогичного изобретения. Само же описание установки, повторяющей все основные черты установки Попова, было опубликовано только через год.