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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Théorie électromagnétique de la lumière. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes "De mon temps Newton était convaincu que la lumière est constituée des plus petites particules, dont la vitesse de déplacement est presque infinie, - dit T. Regge en arrière-plan du numéro. - Son contemporain Huygens, au contraire, était un partisan du mécanisme ondulatoire de propagation de la lumière, similaire au processus de propagation du son dans l'air ou dans tout support matériel. L'autorité incontestable de Newton n'a pas permis de reconnaître l'hypothèse de Huygens. En 1700, Jung, Fresnel et quelques autres scientifiques ont commencé à étudier des phénomènes optiques incompréhensibles du point de vue des idées de Newton. Ces phénomènes indiquaient directement la nature ondulatoire de la lumière. Paradoxalement, parmi ces phénomènes figuraient les anneaux de Newton, bien connus des photographes et apparaissant lorsque des transparents sont placés entre des plaques de verre. La coloration brillante de certains insectes résulte également de processus complexes d'interférence des ondes lumineuses se produisant dans de fines couches de cristaux liquides situées à la surface du corps des insectes. Cependant, malgré les succès évidents de la théorie ondulatoire de la lumière dans la seconde moitié du XIXe siècle, elle a été remise en question pour deux raisons. L'une est l'expérience Faradayqui a découvert l'effet d'un champ magnétique sur la lumière. L'autre est l'étude de la relation entre les phénomènes électriques et magnétiques, qui a été réalisée par Maxwell. "La découverte de la nature électromagnétique de la lumière est une magnifique illustration de la dialectique du développement du contenu et de la forme", écrit P.S. Kudryavtsev. "Le nouveau contenu - les ondes électromagnétiques - s'exprimait sous l'ancienne forme des vortex cartésiens. " Le décalage entre le nouveau contenu apparu à la suite du développement de l'électromagnétisme, non seulement l'ancienne forme de la théorie de l'action à longue distance, mais aussi la théorie mécanique de l'éther était déjà ressenti par Faraday, qui cherchait un nouvelle forme pour exprimer ce contenu. Il a vu une telle forme dans les lignes de force, qui doit être considérée non pas statiquement, mais dynamiquement. Le développement de cette idée est consacré à ses travaux "Réflexions sur les vibrations des rayons" (1846) et "Sur les lignes physiques de la force magnétique" (1851). La découverte par Faraday en 1845 du lien entre le magnétisme et la lumière est un nouveau contenu dans la théorie de la lumière et en même temps souligne une fois de plus la nature transversale stricte des vibrations lumineuses. Tout cela ne cadrait pas bien avec l'ancienne forme d'éther mécanique." Faraday avance l'idée de lignes de force dans lesquelles se produisent des oscillations transversales. .) sont prises comme base du rayonnement et les phénomènes qui lui sont associés, se produisent dans les lignes de forces reliant les particules, et par conséquent, les masses de matière en un tout. Cette idée, si elle est admise, nous libérera de l'éther, qui, d'un autre point de vue, est le milieu dans lequel se produisent ces oscillations. Le scientifique souligne que les oscillations se produisant dans les lignes de forces ne sont pas un processus mécanique, mais une nouvelle forme de mouvement, "un certain type d'oscillation supérieur". De telles fluctuations sont transversales et peuvent donc "expliquer les merveilleux phénomènes divers de polarisation". Ils ne ressemblent pas aux ondes sonores longitudinales dans les liquides et les gaz. Sa théorie, dit-il, "essaie d'éliminer l'éther, mais pas les vibrations". Ces oscillations magnétiques se propagent à une vitesse finie : "... L'apparition d'un changement à une extrémité de la force suggère un changement ultérieur à l'autre. La propagation de la lumière, et donc, probablement, de toutes les actions rayonnantes, prend du temps, et pour que l'oscillation des lignes de force pour expliquer les phénomènes de rayonnement, il faut qu'une telle oscillation prenne aussi du temps". La recherche d'une nouvelle forme a conduit le scientifique à la formation d'une idée importante d'oscillations magnétiques transversales qui, comme la lumière, se propagent à une vitesse finie. Mais c'est l'idée centrale de la théorie électromagnétique de la lumière - une idée qui est née dès 1832. Maxwell nota dans une note à W. Bragg : "La théorie électromagnétique de la lumière proposée par lui (Faraday) dans "Thoughts on Radial Vibrations" (mai 1846) ou "Experimental Investigations" est essentiellement la même que j'ai commencé à développer dans ce article ("Dynamical Field Theory" (mai 1865), sauf qu'en 1846 il n'y avait pas de données pour calculer la vitesse de propagation." Une telle reconnaissance, cependant, ne diminue pas le mérite de l'étude du champ électromagnétique par James Maxwell. James Maxwell (1831–1879) est né à Édimbourg. Peu de temps après la naissance du garçon, ses parents l'ont emmené dans leur domaine Glenlar. Au début, les enseignants étaient invités à la maison. Puis il fut décidé d'envoyer James dans une nouvelle école, qui portait le nom bruyant de l'Académie d'Edimbourg. Maxwell a été l'un des premiers diplômés de l'académie et les portes de l'Université d'Édimbourg se sont ouvertes devant lui. En tant qu'étudiant, Maxwell a mené des recherches sérieuses sur la théorie de l'élasticité, très appréciée des spécialistes. Et maintenant, il était confronté à la question de la perspective de ses études ultérieures à Cambridge. Le volume des connaissances de Maxwell, la puissance de son intellect et son indépendance de pensée lui ont permis d'atteindre une place élevée dans sa libération. Il a pris la deuxième place. Le jeune célibataire est resté à Cambridge - Trinity College en tant qu'enseignant. Cependant, il était préoccupé par les problèmes scientifiques. Outre son ancienne passion, la géométrie et le problème des couleurs, qu'il commence à étudier dès 1852, Maxwell s'intéresse à l'électricité. Le 20 février 1854, Maxwell informe Thomson de son intention « d'attaquer l'électricité ». Le résultat de "l'attaque" est l'essai "Sur les lignes de force de Faraday" - le premier des trois ouvrages principaux de Maxwell consacrés à l'étude du champ électromagnétique. Le mot « champ » est apparu pour la première fois dans cette même lettre à Thomson, mais Maxwell ne l'utilise pas dans cet ouvrage ni dans un ouvrage ultérieur sur les lignes de force. Ce concept ne réapparaît qu'en 1864 dans l'ouvrage « Théorie dynamique du champ électromagnétique ». Il publie deux ouvrages majeurs sur la théorie des champs électromagnétiques qu'il a créés : « On Physical Lines of Force » (1861-1862) et « Dynamic Theory of the Electromagnetic Field » (1864-1865). Pendant dix ans, Maxwell est devenu un scientifique de premier plan, le créateur de la théorie fondamentale des phénomènes électromagnétiques, qui, avec la mécanique, la thermodynamique et la physique statistique, est devenue l'un des fondements de la physique théorique classique. "Traité sur l'électricité et le magnétisme" - l'ouvrage principal de Maxwell et l'apogée de son travail scientifique. Il y résume les résultats de nombreuses années de travaux sur l'électromagnétisme, qui ont commencé dès le début de 1854. La préface du "Traité" est datée du 1er février 1873. Dix-neuf ans que Maxwell a travaillé sur son œuvre fondamentale ! Les recherches de Maxwell l'ont amené à la conclusion qu'il doit exister dans la nature des ondes électromagnétiques dont la vitesse de propagation dans l'espace sans air est égale à la vitesse de la lumière - 300 000 kilomètres par seconde. Ayant surgi, le champ électromagnétique se propage dans l'espace à la vitesse de la lumière, occupant un volume de plus en plus grand. Maxwell a soutenu que les ondes lumineuses sont de la même nature que les ondes qui se produisent autour d'un fil dans lequel il y a un courant électrique alternatif. Ils ne diffèrent les uns des autres que par la longueur. Les longueurs d'onde très courtes sont la lumière visible. "L'hypothèse de Maxwell selon laquelle les changements dans le champ électrique entraînent l'émergence d'un flux d'induction magnétique était la prochaine étape", écrit A.A. Korobko-Stefanov. "Ainsi, le champ électrique alternatif résultant autour du champ magnétique, à son tour, crée une alternance champ magnétique embrassant un champ électrique, qui excite à nouveau un champ électrique, etc. Les champs électriques et magnétiques qui changent rapidement et se propagent à la vitesse de la lumière forment un champ électromagnétique. Un champ électromagnétique se propage dans l’espace de point en point, créant des ondes électromagnétiques. Le champ électromagnétique en chaque point est caractérisé par la force des champs électriques et magnétiques. L'intensité des champs électriques et magnétiques sont des grandeurs vectorielles, puisqu'elles sont caractérisées non seulement par leur ampleur, mais aussi par leur direction. Les vecteurs d'intensité de champ sont mutuellement perpendiculaires et perpendiculaires à la direction de propagation. L'onde électromagnétique est donc transversale. Il découle de la théorie de Maxwell que les ondes électromagnétiques apparaissent si des changements dans la force des champs électriques et magnétiques se produisent très rapidement. La validité des idées de Maxwell a été prouvée empiriquement par Heinrich Hertz. Dans les années quatre-vingt du XIXe siècle, Hertz a commencé à étudier les phénomènes électromagnétiques, travaillant dans un auditorium de 14 mètres de long et 12 mètres de large. Il a constaté que si la distance du récepteur au vibrateur est inférieure à un mètre, la nature de la distribution de la force électrique est similaire au champ dipolaire et diminue inversement au cube de la distance. Cependant, à des distances supérieures à 3 mètres, le champ diminue beaucoup plus lentement et n'est pas le même dans les différentes directions. Dans la direction de l'axe du vibreur, l'action diminue beaucoup plus rapidement que dans la direction perpendiculaire à l'axe, et est à peine perceptible à une distance de 4 mètres, tandis que dans la direction perpendiculaire elle atteint des distances supérieures à 12 mètres. Ce résultat contredit toutes les lois de la théorie à longue portée. Hertz a poursuivi ses recherches dans la zone d'onde de son vibromasseur, dont il a ensuite calculé théoriquement le champ. Dans un certain nombre de travaux ultérieurs, Hertz a prouvé de manière irréfutable l'existence d'ondes électromagnétiques se propageant à une vitesse finie. "Les résultats de mes expériences sur les oscillations électriques rapides", écrivait Hertz dans son huitième article en 1888, "m'ont montré que la théorie de Maxwell a un avantage sur toutes les autres théories de l'électrodynamique". Le champ dans cette zone d'ondes à différents moments du temps a été représenté par Hertz à l'aide d'une image de lignes de force. Ces dessins de Hertz figuraient dans tous les manuels d'électricité. Les calculs de Hertz ont formé la base de la théorie du rayonnement d'antenne et de la théorie classique du rayonnement des atomes et des molécules. Ainsi, au cours de ses recherches, Hertz est finalement passé inconditionnellement au point de vue de Maxwell, a donné une forme commode à ses équations, a complété la théorie de Maxwell par la théorie du rayonnement électromagnétique. Hertz a obtenu expérimentalement les ondes électromagnétiques prédites par la théorie de Maxwell et a montré leur identité avec les ondes lumineuses. En 1889, Hertz a lu un rapport "Sur la relation entre la lumière et l'électricité" au 62e Congrès des naturalistes et médecins allemands. Il résume ici ses expériences en ces termes : « Toutes ces expériences sont très simples dans leur principe, mais n'en entraînent pas moins les conséquences les plus importantes. Elles détruisent toute théorie qui considère que les forces électriques sautent instantanément dans l'espace. la victoire de la théorie de Maxwell ... À quel point sa vision de l'essence de la lumière semblait improbable auparavant, il est maintenant si difficile de ne pas partager cette vision. En 1890, Hertz publie deux articles : « Sur les équations de base de l'électrodynamique des corps au repos » et « Sur les équations de base de l'électrodynamique des corps en mouvement ». Ces articles contenaient des recherches sur la propagation des «rayons de force électriques» et, en substance, donnaient cet exposé canonique de la théorie de Maxwell sur le champ électrique, qui a depuis été incluse dans les manuels. Auteur : Samin D.K.
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