Podstawowe badania M. Faradaya i innych naukowców w dziedzinie elektromagnetyzmu, a także koncepcje Faradaya dotyczące związku między polami elektrycznym i magnetycznym oraz jego model pola elektromagnetycznego były niezbędnym ogniwem w rozwoju nauki, na podstawie którego zakończono teoretyczny rozwój elektrodynamiki klasycznej, stworzono teorię pola elektromagnetycznego i sformułowano elektromagnetyczną teorię światła.
Jak to się wszystko zaczęło
Angielski fizyk James Maxwell (1831-1879) kontynuował fundamentalne badania Faradaya. W latach 1861-1862 opublikowano szereg artykułów Maxwella, w których zaproponował nową teorię, podkreślając rolę ośrodka, i postawił sobie za cel znalezienie modelu mechanicznego, który ujawniłby zachowanie tego ośrodka w oddziaływaniach magnetycznych.
Za pomocą zbudowanego przez siebie modelu dochodzi do swoich słynnych równań. Układ równań Maxwella uogólnił idee Faradaya i ujawnił związek między polami elektrycznymi i magnetycznymi. Z przewidywanych przez Faradaya równań Maxwella płynie niezwykle ważny wniosek: zmienne pole elektromagnetyczne rozchodzi się ze skończoną prędkością, równą prędkości światła w próżni.
Świadczyło to więc o istnieniu fal elektromagnetycznych ze wszystkimi naukowymi i technicznymi konsekwencjami tego odkrycia.
W 1873 r. ukazało się słynne dzieło J. Maxwella A Treatise on Electricity and Magnetism. Podsumowując swoje badania w zakresie pola elektromagnetycznego, autor wykazał, że światło to nic innego jak fale elektromagnetyczne, zwrócił uwagę na ścisły związek między właściwościami optycznymi i elektromagnetycznymi ośrodka, po raz pierwszy wprowadził pojęcie prądu przesunięcia, który występuje w dielektryku między płytami kondensatora i tworzy pole magnetyczne.
Teoria Maxwella, która zakończyła rozwój klasycznej elektrodynamiki, stworzyła naukowe podstawy pola elektromagnetycznego i odkryła elektromagnetyczną naturę światła, początkowo spotkała się z niedowierzaniem fizyków. Faktem jest, że główne odniesienia i wnioski teorii nie zostały wystarczająco potwierdzone eksperymentalnie. Ostatnia ćwierć wieku XIX przebiegała zasadniczo pod hasłem eksperymentalnej i teoretycznej weryfikacji teorii Maxwella.
Dowód teorii Maxwella
Jednym z pierwszych problemów wynikających z teorii Maxwella było to, że jeśli istnieje nierozerwalny związek między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi, to musi istnieć ten sam związek między elektrostatycznym i elektromagnetycznym układem jednostek, to znaczy stała elektrodynamiczna (stosunek jednostki elektrostatyczne i elektromagnetyczne) muszą być równe prędkości światła w próżni. Ta hipoteza wymagała weryfikacji eksperymentalnej.
Ważne wcześniejsze wyniki badań nad wyznaczaniem stałej w równaniach Maxwella należą do rosyjskiego naukowca A.G. Stoletowa (1839–1896), który opracował dość dokładną metodę wyznaczania stosunku tych jednostek i po raz pierwszy ustalił, że jest on równy prędkość światła.
Był to prawdopodobnie jeden z pierwszych dowodów słuszności teorii Maxwella.
Duże znaczenie dla rozwiązania problemu ruchu i dystrybucji energii miały prace rosyjskiego naukowca N.A. Umowa (1846–1915), w których dokonał on ważnego kroku w kierunku pogłębienia teorii pola, wprowadził pojęcie ruchu i przepływu energii.
Na podstawie prawa zachowania energii wyprowadził równanie ruchu energii w ośrodku i wprowadził wektor gęstości strumienia energii, wektor Umov.
Odrębny przypadek wektora Umova dla pola elektromagnetycznego rozważał dziesięć lat później angielski fizyk John-Henry Poynting (1852–1914), który w 1884 r. wyprowadził wyrażenie na gęstość strumienia energii niesionego przez pole elektromagnetyczne.
Heinrich Hertz i eksperymentalne potwierdzenie teorii Maxwella
A jednak dopiero eksperymenty przeprowadzone przez Hertza w latach 1886–1889 eksperymentalnie potwierdziły istnienie fal elektromagnetycznych, a twierdzenie, że prędkość fal elektromagnetycznych jest równa prędkości światła, dowiodła całkowitej identyczności właściwości elektromagnetycznych i świetlnych fale, co dało podstawę badawczą do teorii Maxwella.
Będąc zwolennikiem poglądów M. Faradaya i D. Maxwella, którzy odrzucali działanie na odległość, G. Hertz od 1887 r., powtarzając eksperymenty swojego nauczyciela G. Helmholtza z cewkami indukcyjnymi, opartymi na równaniach Maxwella, rozwinął teorię otwarty wibrator, który emituje fale elektromagnetyczne. Za pomocą „wibratora” i „odbiornika” pokazał, że wyładowanie oscylacyjne wywołuje fale, które są kombinacją dwóch prostopadłych oscylacji – elektrycznej i magnetycznej.
Hertz ujawnił odbicie, załamanie, interferencję i polaryzację tych fal i udowodnił, że wszystkie fakty badawcze są w pełni wyjaśnione przez teorię Maxwella. Badając przechodzenie fal przez przewody, G. Hertz opracował klasyczną metodę pomiaru prędkości fal w przewodzie prostym.
W pracy „Podstawowe równania elektrodynamiki ciał w spoczynku”, opublikowanej w 1890 roku, Hertz nadał wyraźną symetryczną postać równaniu Maxwella:
który dobrze pokazuje całkowitą wzajemność między działaniami elektrycznymi i magnetycznymi.
Hertz jako pierwszy z powodzeniem zastosował wektor Umova-Poyntinga do obliczenia strumienia energii wypromieniowywany przez dipol do otaczającej przestrzeni i wykazał, że ilość energii przenoszonej przez wibrator będzie wprost proporcjonalna do kwadratu długości dipola i odwrotnie proporcjonalna do sześcianu długości fali generowanej przez dipol.
Były to punkty wyjścia w teorii anten i początek teoretycznych podstaw radiotechniki. Badania Hertza odkryły istnienie swobodnego pola elektromagnetycznego, a priorytetem dla fizyków była potrzeba wygenerowania tego pola, wykrycia go i kontrolowania. Przede wszystkim konieczne było stworzenie nowych typów generatorów, aby wzbudzać fale o coraz mniejszych długościach. Sam Hertz używał fal o długości 66 cm.
Włoch Augusto Ritchie (1850–1920) w 1893 otrzymał fale o długości 10,6 cm, a wybitny rosyjski naukowiec P.M. Lebiediew w 1894 roku zademonstrował eksperymenty na otrzymywaniu fal elektromagnetycznych o długości 6 mm.
Telegrafia i radio
Tak więc na początku lat 90. XIX wieku. udowodniono syntezę elektromagnetyzmu i optyki, całkowitą tożsamość fal elektromagnetycznych i świetlnych. Przed nauką pojawia się nowy problem – wykorzystanie fal elektromagnetycznych na potrzeby telegrafii. Po raz pierwszy rosyjski naukowiec A.S. Popow (1859-1906) w 1895
Zasługi Popowa w wynalezieniu radia zostały oficjalnie uznane w 1900 r., przyznając mu dyplom honorowy i złoty medal na Światowym Kongresie Elektrotechnicznym w Paryżu. Należy zauważyć, że włoski inżynier radiowy Guglielmo Marconi zaproponował pod koniec 1896 roku Anglii, gdzie się przeprowadził, opracowane przez siebie urządzenia do realizacji telegrafu bezprzewodowego i w 1897 roku otrzymał na nie patent.
Do zasług G. Marconiego należy zaliczyć sukcesy we wdrażaniu praktycznej radiotelegrafii, w szczególności w 1901 roku nawiązał pierwszą łączność radiową z Ameryką przez Ocean Atlantycki. W latach 1896-1899 Nikola Tesla (1854-1943), genialny serbski naukowiec i wynalazca w dziedzinie elektrotechniki i radiotechniki, był zaangażowany w rozwój urządzeń antenowych.
Tak więc walka o uznanie realności istnienia pola elektromagnetycznego została zakończona.
