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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Teoria eletromagnética da luz. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes "No meu tempo Newton estava convencido de que a luz consiste nas menores partículas, cuja velocidade de movimento é quase infinita, - diz T. Regge no fundo da questão. - Seu contemporâneo Huygens, ao contrário, era um defensor do mecanismo ondulatório de propagação da luz, semelhante ao processo de propagação do som no ar ou em qualquer meio material. A autoridade indiscutível de Newton não permitiu o reconhecimento da hipótese de Huygens. Em 1700, Jung, Fresnel e alguns outros cientistas começaram a estudar fenômenos ópticos que eram incompreensíveis do ponto de vista das ideias de Newton. Esses fenômenos indicavam diretamente a natureza ondulatória da luz. Paradoxalmente, entre esses fenômenos estavam os anéis de Newton, bem conhecidos dos fotógrafos e que surgem quando transparências são colocadas entre placas de vidro. A coloração brilhante de alguns insetos também surge como resultado de complexos processos de interferência de ondas de luz que ocorrem em finas camadas de cristais líquidos localizadas na superfície do corpo dos insetos. No entanto, apesar dos óbvios sucessos da teoria da mecânica ondulatória da luz na segunda metade do século XIX, ela foi questionada por dois motivos. Um é experiências Faradayque descobriu o efeito de um campo magnético na luz. O outro é o estudo da conexão entre fenômenos elétricos e magnéticos, que foi realizado por Maxwell. "A descoberta da natureza eletromagnética da luz é uma ilustração magnífica da dialética do desenvolvimento de conteúdo e forma", escreve P.S. Kudryavtsev. "O novo conteúdo - ondas eletromagnéticas - foi expresso na forma antiga de vórtices cartesianos. A discrepância entre o novo conteúdo que surgiu como resultado do desenvolvimento do eletromagnetismo, não apenas a velha forma da teoria da ação de longo alcance, mas também a teoria mecânica do éter já era sentida por Faraday, que buscava uma nova forma de expressar este conteúdo. Ele viu tal forma nas linhas de força, que devem ser consideradas não estaticamente, mas dinamicamente. O desenvolvimento desta ideia é dedicado às suas obras "Pensamentos sobre vibrações de raios" (1846) e "Nas linhas físicas da força magnética" (1851). A descoberta por Faraday em 1845 da conexão entre magnetismo e luz era um novo conteúdo na doutrina da luz e ao mesmo tempo apontava mais uma vez para a natureza estritamente transversal das vibrações da luz. Tudo isso não se encaixava bem na antiga forma do éter mecânico." Faraday avança a ideia de linhas de força nas quais ocorrem oscilações transversais. .) as linhas de forças que ligam as partículas e, consequentemente, as massas de matéria em um todo. Essa ideia, se admitida, nos libertará do éter, que, sob outro ponto de vista, é o meio em que essas oscilações ocorrem. O cientista aponta que as oscilações que ocorrem nas linhas de forças não são um processo mecânico, mas uma nova forma de movimento, "um certo tipo de oscilação superior". Tais flutuações são transversais e, portanto, podem "explicar os maravilhosos e diversos fenômenos da polarização". Eles não são como ondas sonoras longitudinais em líquidos e gases. Sua teoria, diz ele, "tenta eliminar o éter, mas não as vibrações". Essas oscilações magnéticas se propagam a uma velocidade finita: "... O aparecimento de uma mudança em uma extremidade da força sugere uma mudança subsequente na outra. A propagação da luz e, portanto, provavelmente, de todas as ações radiantes, leva tempo, e para a oscilação das linhas de força para explicar os fenômenos de radiação, é necessário que tal oscilação também leve tempo". A busca por uma nova forma levou o cientista à formação de uma importante ideia de oscilações magnéticas transversais, que, como a luz, se propagam em uma velocidade finita. Mas esta é a ideia central da teoria eletromagnética da luz - uma ideia que surgiu já em 1832. Maxwell observou em uma nota para W. Bragg: "A teoria eletromagnética da luz proposta por ele (Faraday) em "Thoughts on Radial Vibrations" (maio de 1846) ou "Experimental Investigations" é essencialmente a mesma que comecei a desenvolver neste artigo ("Teoria do Campo Dinâmico" (maio de 1865), exceto que em 1846 não havia dados para calcular a velocidade de propagação." Tal reconhecimento, porém, não desmerece o mérito do estudo do campo eletromagnético por James Maxwell. James Maxwell (1831–1879) nasceu em Edimburgo. Logo após o nascimento do menino, seus pais o levaram para sua propriedade Glenlar. No início, os professores foram convidados para a casa. Então foi decidido enviar James para uma nova escola, que levava o nome alto da Academia de Edimburgo. Maxwell foi um dos primeiros a se formar na academia, e as portas da Universidade de Edimburgo se abriram diante dele. Como estudante, Maxwell realizou pesquisas sérias sobre a teoria da elasticidade, que foi muito apreciada por especialistas. E agora ele se deparava com a questão da perspectiva de seus estudos adicionais em Cambridge. O volume de conhecimento de Maxwell, o poder de seu intelecto e a independência de pensamento permitiram que ele alcançasse um lugar alto em sua libertação. Ele ficou em segundo lugar. O jovem solteiro foi deixado em Cambridge - Trinity College como professor. No entanto, ele estava preocupado com problemas científicos. Além de sua antiga paixão - a geometria e o problema das cores, que começou a estudar já em 1852, Maxwell se interessou pela eletricidade. Em 20 de fevereiro de 1854, Maxwell informa Thomson de sua intenção de "atacar a eletricidade". O resultado do "ataque" é o ensaio "On Faraday's Lines of Force" - o primeiro dos três principais trabalhos de Maxwell dedicados ao estudo do campo eletromagnético. A palavra "campo" apareceu pela primeira vez na mesma carta a Thomson, mas Maxwell não a usa neste ou em um trabalho subsequente sobre linhas de força. Este conceito reaparece apenas em 1864 na obra "Teoria Dinâmica do Campo Eletromagnético". Ele publica dois grandes trabalhos sobre a teoria do campo eletromagnético que criou: "On Physical Lines of Force" (1861-1862) e "Dynamic Theory of the Electromagnetic Field" (1864-1865). Por dez anos, Maxwell tornou-se um cientista proeminente, o criador da teoria fundamental dos fenômenos eletromagnéticos, que, juntamente com a mecânica, a termodinâmica e a física estatística, tornou-se um dos fundamentos da física teórica clássica. "Tratado sobre Eletricidade e Magnetismo" - a principal obra de Maxwell e o auge de seu trabalho científico. Nele, ele resumiu os resultados de muitos anos de trabalho sobre eletromagnetismo, que começou no início de 1854. O prefácio do "Tratado" é datado de 1º de fevereiro de 1873. Dezenove anos Maxwell trabalhou em seu trabalho fundamental! A pesquisa de Maxwell o levou à conclusão de que devem existir ondas eletromagnéticas na natureza, cuja velocidade de propagação no espaço sem ar é igual à velocidade da luz - 300 quilômetros por segundo. Tendo surgido, o campo eletromagnético se propaga no espaço à velocidade da luz, ocupando um volume cada vez maior. Maxwell argumentou que as ondas de luz são da mesma natureza que as ondas que surgem em torno de um fio no qual existe uma corrente elétrica alternada. Eles diferem um do outro apenas no comprimento. Comprimentos de onda muito curtos são a luz visível. "A suposição de Maxwell de que as mudanças no campo elétrico implicam o surgimento de um fluxo de indução magnética foi o próximo passo", escreve A.A. Korobko-Stefanov. "Assim, o campo elétrico alternado resultante ao redor do campo magnético, por sua vez, cria um campo magnético envolvendo um campo elétrico, que novamente excita um campo elétrico, etc. Campos elétricos e magnéticos que mudam rapidamente e se propagam na velocidade da luz formam um campo eletromagnético. Um campo eletromagnético se propaga no espaço de ponto a ponto, criando ondas eletromagnéticas. O campo eletromagnético em cada ponto é caracterizado pela intensidade dos campos elétrico e magnético. A intensidade dos campos elétrico e magnético são grandezas vetoriais, pois são caracterizadas não apenas pela magnitude, mas também pela direção. Os vetores de intensidade de campo são mutuamente perpendiculares e perpendiculares à direção de propagação. Portanto, a onda eletromagnética é transversal. Decorreu da teoria de Maxwell que as ondas eletromagnéticas surgem se as mudanças na força dos campos elétricos e magnéticos ocorrerem muito rapidamente. A validade das ideias de Maxwell foi provada empiricamente por Heinrich Hertz. Na década de oitenta do século XIX, Hertz começou a estudar fenômenos eletromagnéticos, trabalhando em um auditório de 14 metros de comprimento e 12 metros de largura. Ele descobriu que se a distância do receptor ao vibrador for menor que um metro, então a natureza da distribuição da força elétrica é semelhante ao campo do dipolo e diminui inversamente com o cubo da distância. No entanto, em distâncias superiores a 3 metros, o campo diminui muito mais lentamente e não é o mesmo em diferentes direções. Na direção do eixo do vibrador, a ação diminui muito mais rápido do que na direção perpendicular ao eixo, e dificilmente é perceptível a uma distância de 4 metros, enquanto na direção perpendicular atinge distâncias superiores a 12 metros. Este resultado contradiz todas as leis da teoria de longo alcance. Hertz continuou pesquisando na zona de onda de seu vibrador, cujo campo ele calculou teoricamente mais tarde. Em vários trabalhos subsequentes, Hertz provou irrefutavelmente a existência de ondas eletromagnéticas se propagando a uma velocidade finita. "Os resultados de meus experimentos sobre oscilações elétricas rápidas", escreveu Hertz em seu oitavo artigo em 1888, "me mostraram que a teoria de Maxwell tem uma vantagem sobre todas as outras teorias da eletrodinâmica". O campo nesta zona de ondas em diferentes momentos de tempo foi representado por Hertz usando uma imagem de linhas de força. Esses desenhos de Hertz foram incluídos em todos os livros didáticos de eletricidade. Os cálculos de Hertz formaram a base da teoria da radiação da antena e da teoria clássica da radiação de átomos e moléculas. Assim, Hertz, no curso de sua pesquisa, finalmente e incondicionalmente mudou para o ponto de vista de Maxwell, deu uma forma conveniente às suas equações, complementando a teoria de Maxwell com a teoria da radiação eletromagnética. Hertz obteve experimentalmente as ondas eletromagnéticas previstas pela teoria de Maxwell e mostrou sua identidade com as ondas de luz. Em 1889, Hertz leu um relatório "Sobre a relação entre luz e eletricidade" no 62º Congresso de Naturalistas e Médicos Alemães. Aqui ele resume seus experimentos nas seguintes palavras: "Todos esses experimentos são muito simples em princípio, mas, no entanto, eles trazem as consequências mais importantes. Eles destroem qualquer teoria que considere que as forças elétricas saltam sobre o espaço instantaneamente. Eles significam um brilhante a vitória da teoria de Maxwell... Como sua visão da essência da luz parecia improvável antes, agora é tão difícil não compartilhar dessa visão. Em 1890, Hertz publicou dois artigos: "Sobre as equações básicas da eletrodinâmica em corpos em repouso" e "Sobre as equações básicas da eletrodinâmica para corpos em movimento". Esses artigos continham pesquisas sobre a propagação de "raios de força elétrica" e, em essência, deram aquela exposição canônica da teoria do campo elétrico de Maxwell, que desde então foi incluída em livros didáticos. Autor: Samin D. K.
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