Fizyka
  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 > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Obraz polowy
Dwa filary teorii pola
Rzeczywistość pola
Pole i eter
Rusztowanie mech.
Eter i ruch
Czas, odległość, . . .
Teoria względności
Continuum . . .
Ogólna teoria wzgl.
Wewnątrz i . . .
Geometria i . . .
Potwierdzenie teorii
Pole i materia
Streszczamy
Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Dwa filary teorii pola
 
Dwa filary teorii pola
 
„Z
mianie pola elektrycznego towarzyszy pole magnetyczne”. Jeśli przestawimy słowa „magnetyczne” i „elektryczne”, zdanie nasze będzie brzmiało: „Zmianie pola magnetycznego towarzyszy pole elektryczne”. O tym, czy zdanie to jest prawdziwe, czy nie, może zadecydować tylko doświadczenie. Ale myśl postawienia tego zagadnienia nasuwa się w wyniku zastosowania języka pola.
       Przeszło sto lat temu Faraday wykonał doświadczenie, które doprowadziło do odkrycia prądów indukowanych.
       Doświadczenie to można łatwo zademonstrować. Potrzebny jest tylko solenoid lub inny obwód, sztabka magnetyczna oraz jakikolwiek przyrząd do wykrywania obecności prądu elektrycznego. Na początku magnes spoczywa w pobliżu solenoidu, który tworzy obwód zamknięty. Przez drut nie płynie prąd, gdyż nie ma żadnego źródła. Istnieje tylko magnetostatyczne pole magnesu, które nie zmienia się w czasie.
Zamieniamy teraz szybko położenie magnesu, oddalając go lub zbliżając do solenoidu. W tym momencie pojawi się na bardzo krótki czas prąd, który następnie zniknie. Gdy tylko zmieni się położenie magnesu, prąd pojawi się ponownie, co można wykryć, posługując się dostatecznie czułym przyrządem. Ale prąd – z punktu widzenia teorii polowej – oznacza istnienie pola elektrycznego zmuszającego płyny elektryczne do przepływu przez drut. Gdy magnes powraca do stanu spoczynku, znika prąd, a więc i pole elektryczne.
       Wyobraźmy sobie przez chwilę, że nie znamy języka pola i że wyniki tego doświadczenia trzeba opisać jakościowo i ilościowo w języku starych pojęć mechanistycznych. Z naszego doświadczenia wynika wówczas, że ruch dipola magnetycznego wytworzył nową siłę, poruszającą w drucie płyn elektryczny. Następne pytanie brzmiałoby: od czego ta siła zależy? Odpowiedź byłaby bardzo trudna. Musielibyśmy zbadać zależność siły od prędkości magnesu, od jego kształtu i od kształtu obwodu. Co więcej, doświadczenie to, interpretowane w starym języku, wcale nie wskazuje na to, że do wzbudzenia prądu indukcyjnego można zamiast ruchem sztabki magnetycznej posłużyć się ruchem innego obwodu z prądem.
       Rzecz się ma zupełnie inaczej, gdy użyjemy języka pola i odwołamy się do naszej zasady, że działanie jest wyznaczone przez pole. Od razu widzimy, że solenoid, przez który przepływa prąd, będzie spełniał tę samą rolę, co magnes w kształcie sztabki. Rysunek przedstawia dwa solenoidy: jeden mały, przez który płynie prąd, i drugi większy, w którym wykrywamy prąd indukowany. Poruszając małym solenoidem tak jak poprzednio magnesem, możemy wytworzyć w większym solenoidzie prąd indukowany.
Co więcej, zamiast poruszać małym solenoidem, możemy wytwarzać i usuwać pole magnetyczne, wytwarzając i usuwając prąd, to znaczy zamykając i otwierając obwód. Doświadczenie i tym razem potwierdza przepowiedziane przez teorię polową nowe fakty!
       Weźmy prostszy przykład. Mamy pętlę z drutu bez żadnego źródła prądu. Gdzieś w pobliżu jest pole magnetyczne.
To, czy źródłem pola magnetycznego jest inny obwód, przez który płynie prąd, czy magnes stały, jest dla nas bez znaczenia. Rysunek nasz przedstawia zamknięty obwód i magnetyczne linie sił. Ilościowy i jakościowy opis zjawisk indukcji jest w języku pola bardzo prosty. Jak zaznaczono na rysunku, pewne linie sił przechodzą przez powierzchnię ograniczoną drutem. Musimy wziąć pod uwagę linie sił przecinające tę część płaszczyzny, która ma za krawędź nasz drut. Dopóki pole się nie zmienia, nie ma prądu elektrycznego, niezależnie od tego, jak silne jest to pole. Ale gdy tylko liczba linii przechodzących przez otoczoną drutem powierzchnię zmieni się, przez drut popłynie prąd. Prąd wyznaczony jest przez zmianę liczby linii przenikających powierzchnię, bez względu na to, czym zostało to spowodowane. Ta zmiana liczby linii sił jest jedynym istotnym pojęciem potrzebnym do jakościowego i ilościowego opisu prądu indukowanego. Zdanie: „Zmienia się liczba linii” oznacza, że zmienia się gęstość linii, a to, jak pamiętamy, oznacza z kolei, że zmienia się natężenie pola.
       Mamy więc w naszym łańcuchu rozumowań następujące istotne punkty: zmiana pola magnetycznego prąd indukowany ruch ładunku istnienie pola elektrycznego.
       Tak więc: zmieniającemu się polu magnetycznemu towarzyszy pole elektryczne.
       W ten sposób znaleźliśmy dwa główne filary, na których wspiera się teoria pola elektrycznego i magnetycznego. Pierwszy – to związek między zmieniającym się polem elektrycznym i polem magnetycznym. Wyniknął on z doświadczenia Oersteda z wychylaniem się igły magnetycznej, prowadząc do wniosku, że zmieniającemu się polu elektrycznemu towarzyszy pole magnetyczne.
       Drugi – wiąże zmieniające się pole magnetyczne z prądem indukowanym, co wynika z doświadczenia Faradaya. Oba te filary łącznie stworzyły podstawę do opisu ilościowego.
       I znów pole elektryczne, które towarzyszy zmieniającemu się polu magnetycznemu, pojawia się jako coś rzeczywistego. Podobnie jak przedtem musieliśmy sobie wyobrazić, że pole magnetyczne prądu istnieje bez bieguna próbnego, podobnie i teraz musimy przyjąć, że pole elektryczne istnieje bez drutu wykazującego obecność prądu indukowanego.
       Nasze dwa filary można by właściwie zastąpić tylko jednym, mianowicie tym, który się wiąże z doświadczeniem Oersteda. Z niego oraz z prawa zachowania energii można wyprowadzić wynik doświadczenia Faradaya. Posłużyliśmy się konstrukcją opartą na dwóch filarach tylko dla przejrzystości i krótkości.
       Należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną konsekwencję opisu polowego. Mamy obwód ze źródłem prądu, na przykład baterię elektryczną; w obwodzie płynie prąd. W pewnym momencie przerywamy nagle połączenie między drutem a źródłem prądu. Teraz oczywiście nie ma prądu! Ale w krótkim czasie przerywania zachodzi złożony proces, który również mógł być przewidziany przez teorię polową. Przed przerwaniem prądu istniało otaczające drut pole magnetyczne. W chwili przerwania prądu pole to przestało istnieć. Tak więc w wyniku przerwania prądu zniknęło pole magnetyczne. Bardzo gwałtownie zmieniła się liczba linii sił przechodzących przez powierzchnię otoczoną drutem. Ale taka gwałtowna zmiana – niezależnie od tego, czym została spowodowana – musi wytworzyć prąd indukcyjny. Istotną rolę odgrywa tu zmiana pola magnetycznego, która indukuje prąd tym silniejszy, im zmiana jest większa. Wniosek ten jest jeszcze jednym sprawdzianem teorii. Wyłączeniu prądu musi towarzyszyć pojawienie się na bardzo krótko silnego prądu indukowanego. Znów doświadczenie potwierdza nasze przewidywanie. Każdy, kto kiedykolwiek wyłączał prąd, musiał zauważyć iskrę. Iskra ta świadczy o dużej różnicy potencjałów, wywołanej gwałtowną zmianą pola magnetycznego.
       Do zjawiska tego można również podejść inaczej, z punktu widzenia energii. Zniknęło pole magnetyczne, a powstała iskra. Iskra jest związana z energią, to samo musi więc dotyczyć pola magnetycznego. Chcąc konsekwentnie posługiwać się pojęciem pola i opartym na tym pojęciu językiem, musimy uważać pole magnetyczne za magazyn energii. Tylko tą drogą będziemy mogli opisywać zjawiska elektryczne i magnetyczne w sposób zgodny z prawem zachowania energii.
       Pole powstało jako pomocniczy model, jednak z biegiem czasu stawało się czymś coraz bardziej rzeczywistym. Pomogło nam zrozumieć stare fakty i doprowadziło do nowych. Przypisanie polu energii jest dalszym krokiem w rozwoju, w którym pojęcie pola wysuwa się coraz bardziej na pierwszy plan, a pojęcie substancji, tak ważne dla poglądu mechanistycznego, odsuwa się w cień.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
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