Die Grundlagenforschung von M. Faraday und anderen Wissenschaftlern auf dem Gebiet des Elektromagnetismus sowie Faradays Ideen über die Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und sein Modell des elektromagnetischen Felds waren das notwendige Bindeglied in der Entwicklung der Wissenschaft, auf deren Grundlage die theoretische Entwicklung der klassischen Elektrodynamik abgeschlossen, die Theorie des elektromagnetischen Feldes geschaffen und die elektromagnetische Theorie des Lichts formuliert wurde.
Wie alles begann
Der englische Physiker James Maxwell (1831–1879) setzte Faradays Grundlagenforschung fort. In den Jahren 1861–1862 wurde eine Reihe von Artikeln von Maxwell veröffentlicht, in denen er eine neue Theorie vorschlug, die Rolle des Mediums hervorhob, und sich zum Ziel setzte, ein mechanisches Modell zu finden, das das Verhalten dieses Mediums bei magnetischen Wechselwirkungen aufzeigen würde.
Mit Hilfe des von ihm gebauten Modells kommt er auf seine berühmten Gleichungen. Maxwells Gleichungssystem verallgemeinerte Faradays Ideen und enthüllte die Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. Aus den von Faraday vorhergesagten Maxwell-Gleichungen folgt eine äußerst wichtige Schlussfolgerung: Ein elektromagnetisches Wechselfeld breitet sich mit einer endlichen Geschwindigkeit aus, die gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Dies bezeugte also die Existenz elektromagnetischer Wellen mit allen wissenschaftlichen und technischen Konsequenzen dieser Entdeckung.
1873 wurde J. Maxwells berühmtes Werk A Treatise on Electricity and Magnetism veröffentlicht. Der Autor fasste seine Forschungen auf dem Gebiet des elektromagnetischen Feldes zusammen und zeigte, dass Licht nichts anderes als elektromagnetische Wellen ist, stellte die enge Beziehung zwischen den optischen und elektromagnetischen Eigenschaften des Mediums fest und führte erstmals das Konzept des auftretenden Verschiebungsstroms ein im Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten und bildet ein Magnetfeld.
Maxwells Theorie, die die Entwicklung der klassischen Elektrodynamik vollendete, die wissenschaftlichen Grundlagen des elektromagnetischen Feldes schuf und die elektromagnetische Natur des Lichts entdeckte, stieß bei Physikern zunächst auf Unglauben. Tatsache ist, dass die wichtigsten Hinweise und Schlussfolgerungen der Theorie experimentell nicht ausreichend bestätigt wurden. Das letzte Viertel des 19. Jahrhunderts stand im Wesentlichen unter dem Motto der experimentellen und theoretischen Überprüfung der Maxwellschen Theorie.
Beweis für Maxwells Theorie
Eines der ersten Probleme, das sich aus Maxwells Theorie ergab, war, dass, wenn es einen untrennbaren Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen gibt, dann muss es denselben Zusammenhang zwischen elektrostatischen und elektromagnetischen Einheitensystemen geben, das heißt, dass die elektrodynamische Konstante (das Verhältnis von elektrostatische und elektromagnetische Einheiten) müssen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entsprechen. Diese Hypothese bedurfte einer experimentellen Überprüfung.
Wichtige frühere Forschungsergebnisse zur Bestimmung der Konstanten in Maxwells Gleichungen gehören dem russischen Wissenschaftler A. G. Stoletov (1839–1896), der eine ziemlich genaue Methode zur Bestimmung des Verhältnisses dieser Einheiten entwickelte und erstmals feststellte, dass es gleich ist die Lichtgeschwindigkeit.
Dies war vielleicht einer der ersten Beweise für die Gültigkeit von Maxwells Theorie.
Von großer Bedeutung für die Lösung des Problems der Bewegung und Verteilung von Energie waren die Arbeiten des russischen Wissenschaftlers N. A. Umov (1846–1915), in denen er einen wichtigen Schritt zur Vertiefung der Feldtheorie machte und das Konzept der Bewegung und des Energieflusses einführte.
Basierend auf dem Energieerhaltungssatz leitete er eine Gleichung für die Bewegung von Energie in einem Medium ab und führte den Vektor der Energieflussdichte, den Umov-Vektor, ein.
Ein separater Fall des Umov-Vektors für ein elektromagnetisches Feld wurde zehn Jahre später von dem englischen Physiker John-Henry Poynting (1852–1914) betrachtet, der 1884 einen Ausdruck für die von einem elektromagnetischen Feld getragene Energieflussdichte ableitete.
Heinrich Hertz und experimentelle Bestätigung von Maxwells Theorie
Und doch bestätigten nur die von Hertz in den Jahren 1886–1889 durchgeführten Experimente experimentell die Existenz elektromagnetischer Wellen, und die Behauptung, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen betragsmäßig gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, bewies die vollständige Identität der Eigenschaften von elektromagnetischen und Licht Wellen und brachte damit die Forschungsgrundlage für Maxwells Theorien.
Als Anhänger der Ansichten von M. Faraday und D. Maxwell, die Fernwirkung ablehnten, entwickelte G. Hertz seit 1887 die Experimente seines Lehrers G. Helmholtz mit Induktionsspulen, basierend auf den Maxwellschen Gleichungen, und entwickelte die Theorie der ein offener Vibrator, der elektromagnetische Wellen aussendet. Mit Hilfe eines „Vibrators“ und eines „Empfängers“ zeigte er, dass eine oszillierende Entladung Wellen verursacht, die eine Kombination aus zwei senkrecht zueinander stehenden Schwingungen sind – elektrisch und magnetisch.
Hertz enthüllte die Reflexion, Brechung, Interferenz und Polarisation dieser Wellen und bewies, dass alle Forschungsfakten vollständig durch Maxwells Theorie erklärt werden. G. Hertz untersuchte den Durchgang von Wellen durch Drähte und entwickelte ein klassisches Verfahren zur Messung der Wellengeschwindigkeit in einem geraden Leiter.
In der 1890 veröffentlichten Arbeit „Grundgleichungen der Elektrodynamik ruhender Körper“ gab Hertz der Maxwell-Gleichung eine klare symmetrische Form,
was die vollständige Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Wirkungen gut zeigt.
Hertz hat als erster den Umov-Poynting-Vektor erfolgreich angewendet, um den von einem Dipol in den umgebenden Raum abgestrahlten Energiefluss zu berechnen, und gezeigt, dass die vom Vibrator übertragene Energiemenge direkt proportional zum Quadrat der Dipollänge ist und umgekehrt proportional zur dritten Potenz der vom Dipol erzeugten Wellenlänge.
Dies waren die Ausgangspunkte in der Theorie der Antennen und der Beginn der theoretischen Grundlagen der Funktechnik. Die Forschung von Hertz entdeckte die Existenz eines freien elektromagnetischen Feldes, und die erste Priorität für die Physiker war die Notwendigkeit, dieses Feld zu erzeugen, es zu erfassen und zu kontrollieren. Zunächst war es notwendig, neuartige Generatoren zu schaffen, um immer kürzere Wellen anzuregen. Hertz selbst verwendete Wellen mit einer Länge von 66 cm.
Der Italiener Augusto Ritchie (1850–1920) erhielt 1893 10,6 cm lange Wellen, und der herausragende russische Wissenschaftler P.M. Lebedev demonstrierte 1894 Experimente zur Gewinnung elektromagnetischer Wellen mit einer Länge von 6 mm.
Telegrafie und Radio
Also in den frühen 90er Jahren des 19. Jahrhunderts. die Synthese von Elektromagnetismus und Optik wurde bewiesen, die vollständige Identität von elektromagnetischen und Lichtwellen. Vor der Wissenschaft taucht ein neues Problem auf – die Verwendung elektromagnetischer Wellen für die Zwecke der Telegrafie. Erstmals hat der russische Wissenschaftler A.S. Popov (1859–1906) im Jahr 1895
Popovs Verdienste um die Erfindung des Radios wurden 1900 offiziell gewürdigt, indem ihm auf dem World Electrotechnical Congress in Paris ein Ehrendiplom und eine Goldmedaille verliehen wurden. Es sei darauf hingewiesen, dass der italienische Radioingenieur Guglielmo Marconi Ende 1896 nach England, wohin er übersiedelte, die von ihm entwickelten Geräte für die Implementierung der drahtlosen Telegrafie vorschlug und 1897 ein Patent dafür erhielt.
Zu den Verdiensten von G. Marconi sollten Erfolge bei der Umsetzung der praktischen Funktelegraphie gehören, insbesondere stellte er 1901 die erste Funkverbindung mit Amerika über den Atlantik her. In den Jahren 1896–1899 beschäftigte sich Nikola Tesla (1854–1943), ein brillanter serbischer Wissenschaftler und Erfinder auf dem Gebiet der Elektro- und Funktechnik, mit der Entwicklung von Antennengeräten.
Damit war der Kampf um die Anerkennung der Realität der Existenz des elektromagnetischen Feldes beendet.
