Biblioteka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Biblioteka > Klasycy nauki




Rozdział trzynasty
Elektrodynamika
Dzieje elektrodynamiki są z naszego punktu widzenia szczególnie pouczające.

Ampère nadał swemu nieśmiertelnemu dziełu tytuł "Teoria zjawisk elektrodynamicznych, oparta jedynie na doświadczeniu". Wyobrażał sobie, że nie wprowadził żadnej hipotezy, ale w rzeczywistości przyjął ich wiele, tyle że nie zdawał sobie z tego sprawy.

Późniejsi uczeni dostrzegli te hipotezy, bowiem zwrócili uwagę na słabe punkty teorii Ampère'a. Wprowadzili oni nowe hipotezy, których byli jak najbardziej świadomi; później trzeba je było jeszcze wiele razy zmieniać i zastępować innymi, nim wreszcie nauka osiągnęła klasyczny stan obecny, który być może nie jest jeszcze ostateczny; przejdźmy teraz do naszkicowania historii elektrodynamiki.

I. Teoria Ampère'a. - Gdy Ampère badał doświadczalnie wzajemne oddziaływania prądów, operował jedynie - inaczej nie mógł - prądami zamkniętymi.

Nie dlatego, by przeczył możliwości istnienia prądów otwartych. Gdy połączymy drutem dwa przewodniki naładowane różnoimiennymi ładunkami, zaczyna płynąć między nimi prąd, a przepływ trwa dopóty, dopóki nie wyrównają się ich potencjały. Zgodnie z poglądami panującymi w czasach Ampère'a, jest to prąd otwarty: widziano bowiem prąd płynący od jednego przewodnika do drugiego, natomiast nie widziano, by powracał.

Ampère uważał takie prądy, na przykład towarzyszące rozładowaniu kondensatora, za otwarte, ale nie mógł ich badać, gdyż trwały zbyt krótko.

Można sobie wyobrazić jeszcze inne prądy otwarte. Weźmy dwa przewodniki AB, połączone drutem AMB. Małe przewodzące masy dotykają najpierw przewodnika B, czerpią zeń ładunek elektryczny, po czym biegną wzdłuż drogi BNA, przenosząc ładunek. Dotykają przewodnik A i przekazują mu swój ładunek, który następnie wraca do B po drucie AMB.

Mamy tu zatem obwód zamknięty, albowiem elektryczność porusza się po drodze zamkniętej BNAMB, lecz dwie części tego obwodu bardzo się od siebie różnią. W drucie AMB elektryczność przesuwa się przez stały przewodnik, na podobieństwo prądu woltaicznego, pokonując opór omowy i wytwarzając ciepło; mówimy, że rozchodzi się wskutek przewodnictwa. W części BNA elektryczność zostaje przeniesiona za pomocą ruchomych przewodników; mówimy, że elektryczność rozchodzi się wskutek konwekcji.

Jeśli zatem prąd konwekcyjny uważać będziemy za całkowicie analogiczny do prądu przewodzonego, obwód BNAMB powinniśmy uznać za zamknięty, a jeśli prąd konwekcyjny nie jest dla nas "prawdziwym prądem", bo na przykład nie działa na magnesy, pozostaje jedynie prąd przewodzony AMB, który jest otwarty.

Gdy na przykład połączymy drutem dwa bieguny maszyny Holtza, obracająca się tarcza przenosi elektryczność od jednego bieguna do drugiego konwekcyjnie, a elektryczność ta wraca do pierwszego bieguna przez przewodnictwo po drucie.

Trudno jest jednak wzbudzić prądy tego rodzaju o dostrzegalnym napięciu. Wobec środków doświadczalnych, jakimi dysponował Ampère, było to wręcz niemożliwe.

Innymi słowy, Ampère mógł wyobrażać sobie istnienie dwóch rodzajów prądów otwartych, lecz nie mógł wykonywać doświadczeń z tymi prądami, gdyż albo ich napięcie było zbyt małe, albo trwały zbyt krótko.

Ampère mógł zatem zbadać doświadczalnie działanie jednego prądu zamkniętego na inny prąd zamknięty, albo działanie prądu zamkniętego na część prądu, albowiem prąd może przepływać przez obwód zamknięty, złożony z części ruchomej i części stałej. Można zatem badać przesunięcia części ruchomej pod działaniem prądu zamkniętego.

Natomiast Ampère nie miał możności badania działania prądu otwartego na prąd zamknięty lub na inny prąd otwarty.

1. Przypadek prądów zamkniętych. - W przypadku wzajemnego działania dwóch prądów zamkniętych, Ampère odkrył doświadczalnie prawa nad podziw proste.

Przypomnijmy tutaj pokrótce te z nich, które będą nam przydatne w dalszym ciągu:

(1) Jeśli napięcie prądu jest stałe i jeśli dwa obwody, które ulegały dowolnym przesunięciom i odkształceniom, powracają ostatecznie do położeń początkowych, to całkowita praca sił elektrodynamicznych jest równa zeru.

Innymi słowy, istnieje potencjał elektrodynamiczny dwóch obwodów, proporcjonalny do iloczynu napięć i zależny od kształtu i względnego położenia obwodów; praca sił elektrodynamicznych jest równa zmianie tego potencjału.

(2) Działanie zamkniętego solenoidu jest równe zeru.

(3) Działanie obwodu C na inny obwód woltaiczny C' zależy jedynie od pola magnetycznego, wytworzonego przez obwód C. W każdym punkcie przestrzeni można określić pewną siłę, zwaną siłą magnetyczną, posiadającą następujące właściwości:

a) Siła, z jaką C działa na biegun magnetyczny, przyłożona jest do tego bieguna i równa jest sile magnetycznej pomnożonej przez masę magnetyczną bieguna;

b) Bardzo krótka igła magnetyczna dąży do ustawienia się zgodnie z kierunkiem siły magnetycznej; para sił, dążąca do nadania jej tego kierunku jest proporcjonalna do iloczynu siły magnetycznej, momentu magnetycznego igły i sinusa kąta odchylenia.

c) Jeśli obwód C' porusza się, praca sił elektrodynamicznych wywieranych przez C na C' równa jest przyrostowi indukcji magnetycznej przez ten obwód.

2. Działanie prądu zamkniętego na część prądu. - Ampère, nie mogšc wytworzyć prądu otwartego we właściwym znaczeniu, znał tylko jeden sposób, by zbadać działanie prądu zamkniętego na część prądu.

Sposób ten polegał mianowicie na operowaniu obwodem C', złożonym z dwóch części, stałej i ruchomej. Część ruchomą stanowił na przykład ruchomy drut , którego końce mogły się ślizgać wzdłuż nieruchomych drutów. W jednym z położeń drutu ruchomego, koniec opierał się w punkcie A na drucie nieruchomym, a koniec w punkcie B nieruchomego drutu. Prąd płynął od do  , to jest od A do B wzdłuż drutu ruchomego i następnie powracał z B do A wzdłuż drutu nieruchomego. Był to zatem prąd zamknięty.

Przy drugim położeniu koniec ślizgającego się drutu dotykał innego punktu A' drutu nieruchomego, a koniec innego punktu B'. W tym ustawieniu prąd płynął od do  , czyli od A' do B' po drucie ruchomym, następnie powracał z B' do B, dalej do B do A i wreszcie do A', płynąc cały czas po drucie nieruchomym. Zatem i tym razem był to prąd zamknięty.

Jeśli obwód taki poddany jest działaniu zamkniętego prądu C, część ruchoma przesuwa się tak, jak gdyby działała nań pewna siła. Ampère zakłada, że siła pozorna, której zdaje się w ten sposób ulegać część ruchoma AB, przedstawiająca działanie C na część prądu, jest taka sama, jak gdyby przez przepływał prąd otwarty, który zatrzymywałby się w  , nie zaś prąd zamknięty, który po dotarciu do  wraca do  przez nieruchomą część obwodu.

Hipoteza ta może się wydawać dość naturalna i Ampère wprowadza ją nie zdając sobie z tego sprawy, ale nie jest ona bynajmniej konieczna, gdyż - jak się przekonamy poniżej - Helmholtz ją odrzucił. W każdym razie, dzięki niej Ampère, choć nie mógł wytworzyć prądu otwartego, zdołał sformułować prawa działania prądu zamkniętego na prąd otwarty, a nawet na element prądu.

Prawa te są nader proste.

(1) Siła, działająca na element prądu, przyłożona jest do tego elementu w kierunku normalnym do niego i do siły magnetycznej; jest proporcjonalna do składowej siły magnetycznej wzdłuż normalnej do elementu;

(2) Działanie zamkniętego solenoidu na element prądu jest równe zeru.

Nie ma już potencjału elektrodynamicznego, to znaczy, gdy prąd zamknięty i prąd otwarty, których napięcia były stałe, powracają do położeń początkowych, całkowita praca nie jest równa zeru.

3. Ruch obrotowy. - Wśród eksperymentów dotyczących zjawisk elektrodynamicznych najciekawsze są te, które pozwoliły na wprowadzenie ciała w stały ruch obrotowy, nazywa się je czasami doświadczeniami z indukcją jednobiegunową. Weźmy magnes, który może się obracać dookoła swej osi; prąd przepływa najpierw przez nieruchomy drut, wchodzi w magnes, na przykład przez biegun N, przepływa połowę magnesu i wychodzi z niego przez ruchomy kontakt, po czym wraca do drutu nieruchomego.

W takim doświadczeniu magnes zaczyna się stale kręcić w jednym kierunku, nie osiągając położenia równowagi. Eksperyment ten przeprowadził Faraday.

Jak to możliwe? Gdybyśmy mieli do czynienia z dwoma obwodami o stałym kształcie, jednym nieruchomym C, drugim C', który może się obracać wokół osi, ten ostatni nigdy nie mógłby nabrać ruchu obrotowego; skoro istnieje potencjał elektrodynamiczny, to zawsze istnieje pewne położenie równowagi - takie, w którym potencjał osiąga wartość największą.

Ruch obrotowy jest możliwy tylko wtedy, gdy obwód C' składa się z dwóch części: jednej nieruchomej, drugiej ruchomej, mogącej obracać się wokół osi, tak jak w doświadczeniu Faradaya. Należy jednak odróżnić dwa przypadki. Przejście od części ruchomej do nieruchomej może się odbywać albo przez kontakt prosty (jeden i ten sam punkt części ruchomej styka się stale z tym samym punktem części nieruchomej), albo przez kontakt ruchomy (jeden i ten sam punkt części ruchomej styka się kolejno z różnymi punktami części nieruchomej.

Ruch obrotowy jest możliwy tylko w drugim przypadku. Oto, co wówczas zachodzi: układ dąży wprawdzie do pewnego położenia równowagi, ale gdy już ma osiągnąć to położenie, ślizgająca się część ruchoma styka się z nowym punktem części nieruchomej, następuje zmiana połączeń, a tym samym również warunków równowagi; położenie równowagi jak gdyby umyka przed dążącym do niego układem i ruch obrotowy może trwać dowolnie długo.

Ampère zakładał, że działanie obwodu na część ruchomą C' jest takie samo, jak gdyby część nieruchoma obwodu C' wcale nie istniała, a więc przez część ruchomą przepływa prąd otwarty.

Wobec tego Ampère wysnuwa wniosek, że działanie prądu zamkniętego na prąd otwarty lub odwrotnie, prądu otwartego na zamknięty, może spowodować ruch obrotowy.

Wniosek ten zależy jednak od sformułowanej powyżej hipotezy, którą, jak wspomnieliśmy, Helmholtz odrzuca.

4. Działanie wzajemne dwóch prądów otwartych. - Nie ma żadnego doświadczenia, które pozwoliłoby badać bezpośrednio działanie wzajemne dwóch prądów otwartych w ogóle, a w szczególności, dwóch elementów prądu. Ampère odwołuje się tu do hipotezy. Zakłada on: (1) że działanie wzajemne dwóch elementów sprowadza się do siły działającej wzdłuż łączącej je prostej; (2) że działanie dwóch prądów zamkniętych jest wypadkową działań ich poszczególnych elementów, przy czym działania te są takie same, jak gdyby każdy z tych elementów istniał z osobna.

Warto zaznaczyć, że te dwie hipotezy Ampère wprowadził zupełnie bezwiednie.

W każdym razie, te hipotezy, łącznie z doświadczeniami dotyczącymi prądów zamkniętych, wystarczają do całkowitego określenia prawa wzajemnego oddziaływania dwóch elementów.

Jeśli tak jest naprawdę, to większość praw, które napotkaliśmy w przypadku prądów zamkniętych, przestaje być prawdziwa.

Przede wszystkim, nie istnieje potencjał elektrodynamiczny; jak już się przekonaliśmy, nie można go było wprowadzić również w przypadku prądu zamkniętego, działającego na prąd otwarty.

Nie ma siły magnetycznej, w znaczeniu właściwym.

W rzeczy samej, podaliśmy powyżej trzy definicje tej siły:

(1) Za pomocą działania na biegun magnetyczny;
(2) Za pomocą pary sił, powodującej zmianę orientacji igły magnetycznej;
(3) Za pomocą działania na element prądu.

W przypadku, którym się teraz zajmujemy, te trzy określenia nie tylko nie są zgodne, ale każde z nich jest bezsensowne, gdyż:

(1) Na biegun magnetyczny nie działa po prostu jedna siła. Jak się przekonaliśmy, siła, wywołana działaniem elementu prądu na biegun nie jest przyłożona do bieguna, lecz do elementu; można ją zresztą zastąpić przez siłę działającą na biegun i przez parę sił.

(2) Para sił, działająca na igłę magnetyczną, nie jest już prostą parą skręcającą, gdyż jej moment w stosunku do osi igły nie jest równy zeru. Parę tą można rozłożyć na parę skręcającą w znaczeniu właściwym i na parę dopełniającą, dążącą do spowodowania ruchu obrotowego, o którym mówiliśmy powyżej.

(3) Siła, jaka działa na element prądu nie jest normalna do tego elementu.

Innymi słowy, znikła jedność siły magnetycznej.

Powiedzmy, na czym polega ta jedność. Dwa układy, wywierające to samo działanie na biegun magnetyczny, wywierają również to samo działanie na nieskończenie małą igłę magnetyczną albo na element prądu, umieszczone w tym samym punkcie przestrzeni, który poprzednio zajmował ten biegun.

]Tak jest, gdy w układzie płyną jedynie prądy zamknięte; przestałoby tak być, zdaniem Ampère'a, gdyby w tych układach płynęły prądy otwarte.

Wystarczy na przykład zauważyć, że jeśli biegun magnetyczny znajduje się w A, a element prądu w B, tak że kierunek elementu stanowi przedłużenie linii AB, to element ten, nie wywierając żadnego działania na biegun, wywierać będzie pewne działanie na igłę magnetyczną umieszczoną w punkcie A, bądź na element prądu w tym punkcie.

5. Indukcja. - Wiadomo, że odkrycie indukcji elektrodynamicznej nastąpiło wkrótce po nieśmiertelnych pracach Ampère'a.

Dopóki zajmujemy się tylko prądami zamkniętymi, nie napotykamy żadnych trudności. Helmholtz zauważył nawet, że zasada zachowania energii wystarcza do wyprowadzenia praw indukcji z praw elektrodynamicznych Ampère'a, z tym wszakże zastrzeżeniem, jak to przekonująco wykazał Bertrand, że przyjmie się pewną liczbę hipotez.

Ta sama zasada pozwala również na wyprowadzenie tego wniosku w przypadku prądów otwartych, choć rozumie się samo przez się, że niepodobna sprawdzić wyniku doświadczalnie, gdyż nie można wytworzyć takich prądów.

Zastosowanie takiej analizy w teorii Ampère'a pršdów otwartych prowadzi do wyników doprawdy niespodziewanych.

Przede wszystkim, indukcji nie można wyprowadzić ze zmian pola magnetycznego, według wzoru dobrze znanego badaczom i praktykom, bowiem - jak widzieliśmy - nie ma tu już pola magnetycznego w znaczeniu właściwym.

Na tym przecież nie koniec. Jeśli obwód C jest pod wpływem indukcji zmiennego układu woltaicznego S, jeśli ten układ S porusza się i odkształca w sposób dowolny, jeśli napięcie prądu w tym układzie zmienia się według dowolnego prawa, tak jednak, aby po pewnym czasie układ ten wrócił do stanu początkowego, to naturalne wydaje się przypuszczenie, że średnia siła elektromotoryczna indukowana w układzie C równa się zeru.

Jest tak rzeczywiście, jeśli obwód C jest zamknięty, a układ S zawiera jedynie prądy zamknięte. Nie jest to natomiast prawdą, jeśli przyjąć teorię Ampère'a, gdy w układzie S płyną prądy otwarte. Wtedy indukowana siła elektromotoryczna nie tylko nie jest równa zmianie indukcji magnetycznej w żadnym z powszechnie przyjętych znaczeń tego określenia, ale nie można jej wyrazić przez zmianę jakiejkolwiek w ogóle wielkości.

II. Teoria Helmholtza. - Zatrzymaliśmy się nieco dłużej nad konsekwencjami teorii Ampère'a i jego sposobu rozumienia działania prądów otwartych, trudno bowiem nie zauważyć sztucznego i paradoksalnego charakteru twierdzeń, do których dochodzi się tą drogą; nasuwa się myśl, że "to z pewnością nie jest to".

Rozumiemy zatem dlaczego Helmholtz zapragnął znaleźć coś innego.

Helmholtz odrzuca podstawową hipotezę Ampère'a, zgodnie z którą działanie wzajemne dwóch prądów sprowadza się do siły skierowanej wzdłuż łączącej je prostej. Zakłada on, że na element prądu nie działa jednak siła, lecz siła i para sił. Założenie to było przedmiotem słynnej polemiki między Bertrandem i Helmholtzem.

Helmholtz zastępuje hipotezę Ampère'a przez następujące założenie: dla dwóch elementów prądu istnieje zawsze potencjał elektrodynamiczny, zależny jedynie od ich położenia i orientacji i praca sił, z jakimi elementy te działają na siebie wzajemnie, równa jest zmianie tego potencjału. Tak więc Helmholtz, w takim samym stopniu jak Ampère nie może się obyć bez hipotezy; tym się wszakże różni od swego poprzednika, że swoją hipotezę przyjmuje wyraźnie i jawnie.

W przypadku prądów zamkniętych, jedynych, które można badać doświadczalnie, obie teorie dają takie same wyniki; we wszystkich innych przypadkach występują między nimi różnice.

Przede wszystkim, wbrew przypuszczeniu Ampère'a, siła, która zdaje się działać na ruchomą część obwodu zamkniętego nie jest taka sama, jaką byłaby siła, działająca na cześć ruchomą, gdyby była ona odizolowana i stanowiła prąd otwarty.

Powróćmy do obwodu C', o którym mówiliśmy powyżej, złożonego z ruchomego drutu , ślizgającego się po drucie nieruchomym; w jedynym zrealizowanym eksperymencie część ruchoma nie jest odizolowana, lecz stanowi element układu zamkniętego. Gdy przemieszcza się od położenia AB do A'B', całkowity potencjał elektrodynamiczny zmienia się z dwóch przyczyn: (1) potencjał wzrasta, ponieważ potencjał A'B' względem C nie jest taki sam jak AB; (2) potencjał wzrasta, ponieważ trzeba do niego dodać potencjały elementów AA'BB' względem C.

Podwójny ten przyrost przedstawia pracę sił działających na część AB.

Gdyby natomiast odcinek był odizolowany, potencjał wzrósłby tylko z pierwszego powodu i jedynie ten przyrost byłby miarą siły działającej na AB.

Niemożliwy jest ruch obrotowy, gdy nie ma ślizgającego się kontaktu, bowiem jak się przekonaliśmy omawiając prądy zamknięte, jest to bezpośredni wniosek wynikający z istnienia potencjału elektrodynamicznego.

Jeśli w doświadczeniu Faradaya magnes jest nieruchomy i część prądu na zewnątrz magnesu przepływa przez drut ruchomy, ta część ruchoma może zacząć się poruszać ruchem obrotowym. Nie znaczy to jednak, że gdyby znieść kontakt drutu z magnesem i sprawić, by przez drut przepływał prąd otwarty, i w tym przypadku drut zacząłby się kręcić. Powiedzieliśmy bowiem powyżej, że na odizolowany element działa inna siła niż na element ruchomy stanowiący część obwodu zamkniętego.

Oto jeszcze jedna różnica: zamknięty solenoid nie wywiera żadnego działania na zamknięty prąd, co wynika z doświadczenia i jest zgodne z obiema teoriami, natomiast działanie solenoidu na prąd otwarty byłoby równe zeru według Ampere'a, ale nie według Helmholtza.

Wypływa stąd doniosły wniosek. Podaliśmy powyżej trzy definicje siły magnetycznej; trzecia nie ma tutaj żadnego sensu, gdyż na element prądu nie działa jedna siła. Nie ma go również pierwsza definicja. Cóż to jest bowiem biegun magnetyczny? Jest to punkt końcowy nieskończenie długiego liniowego magnesu. Magnes ten można zastąpić przez nieskończenie długi solenoid. Żeby określenie siły magnetycznej miało sens, trzeba aby działanie prądu otwartego na nieograniczony solenoid zależało jedynie od położenia końca tego solenoidu, czyli aby działanie na solenoid zamknięty było równe zeru. Jak już widzieliśmy, tak nie jest.

Nic natomiast nie stoi na przeszkodzie przyjęciu drugiej definicji, opartej na pomiarze pary skręcającej, dążącej do ustawienia igły magnetycznej zgodnie z kierunkiem siły magnetycznej.

Jeśli jednak przyjmiemy tę definicję, to ani efekty indukcji, ani efekty elektrodynamiczne nie będą zależały wyłącznie od rozkładu linii sił pola magnetycznego.

III. Trudności występujące w tych teoriach. - Teoria Helmholtza stanowi krok naprzód w porównaniu z teorią Ampère'a, daleko jej wszakże do pełnego wyeliminowania wszystkich trudności. Tak w jednej, jak i w drugiej wyrażenie "pole magnetyczne" nie ma sensu, albo też, jeśli nadamy mu jakiś sens na mocy pewnej mniej lub bardziej sztucznej konwencji, to zwykłe prawa, dobrze znane wszystkim zajmującym się elektrycznością, przestaną być stosowalne. Tak na przykład, miarą siły elektromotorycznej wzbudzonej w drucie nie jest już liczba linii sił, przeciętych przez ten drut.

Niechęć, z jaką odnosimy się do tych teorii, nie wynika jedynie z tego, że trudno jest zrzec się zakorzenionych nawyków językowych i umysłowych. Chodzi tu o coś więcej. Jeżeli nie wierzymy w działanie na odległość, należy wyjaśnić zjawiska elektrodynamiczne przez zmiany w ośrodku. Tę właśnie zmianę nazywa się polem magnetycznym, a zatem zjawiska elektromagnetyczne powinno zależeć jedynie od tego pola.

Wszystkie te trudności wynikają z hipotezy prądów otwartych.

IV. Teoria Maxwella. - Takie trudności wynikały z panujących teorii, gdy zjawił się Maxwell i jednym pociągnięciem pióra wszystkie je usunął. Zgodnie z jego koncepcją, istnieją tylko prądy zamknięte.

Maxwell zakłada, że jeśli w dielektryku pole magnetyczne ulega zmianie, zachodzą w nim osobliwe zjawisko, działające na galwanometr tak samo jak prąd; zjawisko to nazywa on prądem przesunięcia.

Jeżeli dwa przewodniki, naelektryzowane różnoimiennymi ładunkami, połączymy drutem, to podczas rozładowania przez drut popłynie otwarty prąd przewodzony, lecz w otaczającym układ dielektryku powstają równocześnie prądy przesunięcia, zamykające ten prąd przewodzony.

Wiadomo, że teoria Maxwella wyjaśnia zjawiska optyczne jako konsekwencje bardzo szybkich drgań elektrycznych. Za jego czasów była to tylko bardzo śmiała hipoteza, nie mająca żadnego wsparcia doświadczalnego.

Po upływie lat dwudziestu doświadczenie potwierdziło poglądy Maxwella. Hertz zdołał wytworzyć oscylujące pola elektryczne, mające takie same właściwości jak światło i różniące się od niego tylko długością fali, podobnie jak barwa fioletowa różni się od czerwonej. W pewnym sensie dokonał on syntezy świata.

Można powiedzieć, że Hertz nie dowiódł bezpośrednio podstawowej koncepcji Maxwella, czyli działania prądu przesunięcia na galwanometr. Bezpośrednio wykazał tylko, że indukcja elektromagnetyczna nie rozchodzi się momentalnie, jak mniemano dawniej, lecz z prędkością równą prędkości światła.

Jednak dwa założenia, że nie ma prądu przesunięcia, a indukcja rozchodzi się z prędkością światła, lub że prądy przesunięcia wywołują przejawy indukcji, która rozchodzi się momentalnie - są całkowicie równoważne.

Nie jest to oczywiste już na pierwszy rzut oka, przeciwnie - dowód wymaga obliczeń analitycznych, o których streszczeniu w tym miejscu nie może być nawet mowy.

V. Doświadczenie Rowlanda. - Powiedzieliśmy już wyżej, że istnieją dwa rodzaje otwartych prądów przewodzonych. Po pierwsze, są to prądy wyładowania kondensatora lub dowolnego innego przewodnika.

Po drugie, zdarza się, że ładunki elektryczne zakreślają zamkniętą drogę, przenosząc się przez przewodnictwo w pewnej części obwodu, a przez konwekcję w drugiej.

W przypadku prądów otwartych pierwszego rodzaju można było uważać, że zagadnienie zostało rozwiązane: prądy przesunięcia przekształciły je w prądy zamknięte.

W przypadku prądów otwartych drugiego rodzaju, rozwiązanie wydawało się jeszcze prostsze: gdyby prąd był zamknięty, to - jak się zdawało - zamykać go mógł jedynie sam prąd konwekcyjny. W tym celu wystarczało założyć, że prąd konwekcyjny, czyli naładowany, poruszający się przewodnik, działa na galwanometr.

Brak było jednak doświadczalnego potwierdzenia tych przypuszczeń. Wydawało się, że trudno jest otrzymać dostatecznie duże napięcie, nawet maksymalnie zwiększając ładunek i prędkość przewodnika.

Pierwszym uczonym, który faktycznie lub pozornie pokonał te trudności, był Rowland, eksperymentator odznaczający się niezwykłą zręcznością. Nadał on krążkowi duży ładunek elektryczny i bardzo dużą prędkość obrotową. Układ magnetyczny, umieszczony obok krążka, uległ odchyleniu.

Rowland przeprowadził ten eksperyment dwukrotnie, raz w Berlinie i raz w Baltimore; później powtórzył to doświadczenie Himstedt. Obaj fizycy podali nawet, że udało im się wykonać pomiary ilościowe.

Już od dwudziestu lat wszyscy fizycy uważają, że prawo Rowlanda zostało potwierdzone i nie budzi żadnych wątpliwości. Wszystko zresztą zdaje się je potwierdzać. Czy nie wydaje się prawdopodobne, że wyładowanie iskrowe polega po prostu na tym, że cząstki odrywają się od jednej elektrody i przenoszą wraz ze swym ładunkiem na drugą? Czyż dowodem tego nie jest choćby widmo iskry, w którym rozpoznajemy promieniowanie metalu tworzącego elektrodę? Iskra byłaby zatem prawdziwym prądem konwekcyjnym.

Z drugiej strony, nośnikami elektryczności w elektrolitach są prawdopodobnie poruszające się jony. Prąd w elektrolicie jest zatem również prądem konwekcyjnym; otóż prąd taki działa na igłę magnetyczną.

Podobnie wygląda sytuacja z promieniowaniem katodowym. Crookes uważał, że jest to bardzo subtelna materia, naładowana elektrycznością ujemną i poruszająca się z bardzo dużą prędkością. Innymi słowy, sądził, że jest to prąd konwekcyjny. Te prądy katodowe odchylają się pod wpływem magnesu. Na mocy zasady akcji i reakcji, powinny zatem spowodować odchylenie igły magnetycznej.

Wprawdzie Hertz uważał, iż udało mu się udowodnić, że promienie katodowe nie przenoszą ujemnego ładunku i nie działają na igłę magnetyczną, ale tu się pomylił. Przede wszystkim, Perrin zdołał zebrać ujemny ładunek promieniowania katodowego, choć Hertz zaprzeczał jego istnieniu. Badacza niemieckiego wprowadziły zapewne w błąd efekty powodowane przez promieniowanie rentgenowskie, które wówczas było jeszcze nieznane. Później, i to całkiem niedawno, zaobserwowano działanie promieniowania katodowego na igłę magnetyczną.

Tak więc wszystkie te zjawiska, rozważane jako prądy konwekcyjne, iskry, prądy elektrolityczne, promienie katodowe, działają w jednakowy sposób na galwanometr, zgodnie z prawem Rowlanda!

VI. Teoria Lorentza. - Rychło posunięto się jeszcze dalej. Według teorii Lorentza prądy przewodzone są w rzeczywistości prądami konwekcyjnymi: elektryczność ma być związana w sposób nierozerwalny z pewnymi cząstkami materialnymi, tak zwanymi elektronami; ruch tych elektronów w ciałach powoduje prądy woltaiczne, a przewodniki różnią się od izolatorów tym, że elektrony mogą się w nich poruszać, podczas gdy w izolatorach jest to niemożliwe.

Teoria Lorentza jest bardzo pociągająca; pozwala ona bardzo prosto wyjaśnić pewne zjawiska, których nie mogły wytłumaczyć teorie dawniejsze, nawet teoria Maxwella w pierwotnym kształcie, takie jak aberracja światła, częściowe wleczenie fal świetlnych przez ośrodek w ruchu, polaryzacja magnetyczna, zjawisko Zeemana.

Jednak fizycy współcześni mają wątpliwości co do kilku punktów teorii Lorentza. Zgodnie z tą teorią, zjawiska zachodzące w pewnym układzie, powinny zależeć od prędkości bezwzględnej ruchu postępowego środka ciężkości tego układu, co jest sprzeczne z zasadą względności przestrzeni. W czasie dyskusji podczas obrony rozprawy doktorskiej Cremieu, Lippmann nadał temu zarzutowi szczególnie uderzającą postać. Weźmy dwa naładowane przewodniki, poruszające się z jednakową prędkością. Znajdują się one w stanie względnego spoczynku, a jednak, skoro każdy z nich jest równoważny pewnemu prądowi konwekcyjnemu, to powinny się przyciągać, a zatem przez pomiar przyciągania można wyznaczyć ich prędkość bezwzględną.

Nie - odpowiadają na to zwolennicy teorii Lorentza. - W ten sposób zmierzylibyśmy nie ich prędkość bezwzględną, lecz ich prędkość względem eteru, a zatem nie ma tu sprzeczności z zasadą względności.

Niezależnie od tych najnowszych zarzutów, gmach elektrodynamiki w głównych przynajmniej zarysach zdaje się ostatecznie zbudowany; wszystko przedstawia się jak najlepiej; teorie Ampère'a i Helmholtza, stworzone w celu wyjaśnienia prądów otwartych, które przestały istnieć, zdają się mieć już tylko czysto historyczne znaczenie, a nie dające się rozwikłać komplikacje, do których prowadziły te teorie, poszły niemal w zapomnienie.

Spokój ten niedawno zakłóciły doświadczenia Crémieu, który przez pewien czas wydawały się sprzeczne z wynikami Rowlanda. Nowsze eksperymenty ich nie potwierdziły i teoria Lorentza wyszła z tej próby zwycięsko.

Historia tych wahań jest niezmiernie pouczająca; mówi ona nam, jakie sidła napotyka na swej drodze uczony i w jaki sposób może ich uniknąć.


[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach