100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.
Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.
-
Вильям Гильберт и Бенджамин Франклин были первыми, кто исследовал образование и истечение зарядов на диэлектриках.
В частности, первый из них показал, что свойством электризоваться при трении обладает не только янтарь, как
считали греки, но и многие другие вещества, в частности, минералы. Франклин развил исследования Гильберта,
обнаружив существование двух знаков заряда и предположив, что знак заряда зависит от того, больше или меньше электрического
флюида (дословно, жидкости) находится в теле, по сравнению с равновесным, нейтральным состоянием.
-
Шарль Кулон поставил первый в истории прецезионный эксперимент по измерению
силы притяжения между двумя заряженными шарами. В нем применялась техника
точных и чувствительных крутильных весов, усиленная многочисленными решениями
по минимизации влияния сторонних факторов на измеряемую силу. Результатом эксперимента явился
основной закон взаимодействия зарядов в электростатике — закон
Кулона — гласящий, что сила взаимодействия точечных зарядов пропорциональна
их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
-
Луиджи Гальвани первым обнаружил, что живые ткани (в частности, мышечная ткань)
могут как генерировать, так и откликаться на электричество.
Он также был первым, кто открыл контактную разность потенциалов
на границе двух различных металлов, хотя и неправильно интерпретировал ее
происхождение в своих опытах. Алессандро Вольта пересмотрел точку зрения Гальвани,
всячески исследовал его гальванические элементы (две пластинки из разных
металлов, между которыми проложен смоченный в электролите лоскут) и
сформулировал концепцию электрического напряжения. В частности, он создал
прибор для измерения напряжения и изучил основные его свойства.
Также Вольта изобрел первый источник высокого напряжения — вольтов столб.
-
С помощью эксперимента, использующего крутильные весы, Георг Ом пришел
к своему закону, выражающему силу тока в проводнике через
его сопротивление, а также ЭДС и внутреннее сопротивления источника питания.
Кроме того, он показал независимость силы тока от других параметров. Полученные Омом
результаты неявно говорили в пользу дрейфового характера движения зарядов в
металлах.
-
Закон Джоуля–Ленца — один из законов, на которых базируется
закон сохранения и превращения энергии: в данном случае электрическая энергия
преобразуется в эквивалентную ей тепловую. Открытие подобных превращений и универсальной
сохраняющейся величины — энергии — потеснило общепринятую теорию
теплорода. Наконец, закон Джоуля–Ленца, как и закон Ома, говорил в пользу
дрейфового характера движения носителей заряда, переносящих ток.
-
Исследования электролиза Фарадеем перебросили
мост между химией и физикой. Он показал, что электричество имеет прямое
отношение к химической связи, более того, что ее образование и разрыв
сопровождается переносом электрического заряда в строго определенных количествах.
Каждому атому вещества необходимо для этого определенное количество заряда,
пропорциональное некоторому элементарному. Опыты Фарадея и сформулированные на
их основе законы далеко продвинули представления о строении вещества и
поставили задачу о нахождении частиц (электронов), ответственных за химическую
связь.
-
Джозеф Джон Томсон разгадал загадку известных и
до него катодных лучей: их траектория изгибалась в магнитном поле, но не
изгибалась в электрическом. Создав катодную трубку с высоким вакуумом,
напоминающую современный кинескоп, и построив математическую модель движения
заряженных частиц в ней, он доказал, что катодные лучи состоят из
отрицательно-заряженных частиц. Для этих частиц он измерил удельный заряд e/m,
и оказалось, что последний почти в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода H+.
Фактически, в эксперименте была открыта первая субатомная частица — электрон.
-
Дискретность электрического заряда, которую
можно было только предположить на основании опытов Фарадея по электролизу,
была непосредственно доказана в экспериментах Милликена и Иоффе.
В этих опытах наблюдалось движение практически нейтральных частиц во внешнем электрическом поле.
Результатом явилось обнаружение дискретности заряда частиц и измерение элементарного заряда.
Этот заряд со знаком минус был приписан электрону, поскольку именно обмен электронами приводил
к изменению зарядов наблюдаемых в опытах частиц.
-
Карл Рикке с помощью простого опыта показал, что ток в металлах абсолютно
не затрагивает их кристаллическую решетку. Было
показано, что протекание тока из одного металлического проводника в другой,
сделанный из другого металла, никак не приводит к смешиванию металлов.
Эксперимент Рикке, несмотря на свою простоту, является
чрезвычайно весомым аргументом в пользу электронной теории тока в металлах.
-
Попросту говоря, Толмен и Стюарт доказали, что
частица, которая переносит ток в металлах, совпадает с электроном, полученным
Дж.Дж. Томсоном из катодных лучей. Они использовали инерционную генерацию
тока: если движущийся металлический проводник подвергнуть резкому торможению,
то электронный газ внутри него под действием силы инерции на малое время
сместится к «носу» от «кормы» проводника. Это приводит к образованию
инерционной ЭДС на его концах, которую и измерили Толмен и Стюарт. Сравнив
ускорение проводника и полученную в опыте ЭДС, они вычислили удельный заряд
частиц, участвующих в токе, который замечательно совпал с удельным зарядом
электрона Томсона.
-
Эрстед был первым, кто наблюдал магнитное
действие тока — можно сказать, первопроходцем электромагнетизма. Пусть
качественно, но он исследовал поворот магнитной стрелки, установленной вблизи
провода с электрическим током, тем самым показав, что
электрические и магнитные явления таинственным образом связаны.
-
Ампер продолжил исследования Эрстеда, подойдя к
задаче количественно. Во-первых, он обнаружил, что взаимодействуют не только
ток с магнитом, но и два проводника с током. Во-вторых, с помощью точнейших весов
Ампер изучил зависимость силы взаимодействия между проводниками с током от расстояния и силы тока,
а удостоверился в ее независимости от вещества проводников. В результате был получен
закон Ампера, дающий силу взаимодействия двух проводников с током.
Фактически, Ампер обнаружил первый релятивистский эффект — магнитное взаимодействие движущихся
зарядов — наблюдаемый только потому, что в проводнике их число чрезвычайно
велико. Также на основе своего закона Ампер пришел к важнейшей гипотезе молекулярных токов.
-
Открытие явления электромагнитной индукции как
бы продолжило исследования Ампера: теперь было обнаружено, что и магнитное
поле может быть источником электрических явлений. Изменение магнитного поля или
его направления относительно проводника приводило к образованию ЭДС в
последнем, что и наблюдали в своих опытах Фарадей и Генри. Чрезвычайно важным
для данных открытий является также изобретение катушки индуктивности Генри. Фарадей
открыл закон электромагнитной индукции, что укрепило его полевые представления
в отношении электричества и магнетизма. Этот закон в несколько обобщенном виде
был включен Максвеллом в уравнения электромагнитного поля.
-
Уравнения Максвелла были теоретической
конструкцией, обобщавшей законы Гаусса, Ампера и Фарадея для электромагнитного
поля. Из этих уравнений напрямую следовала возможность существования
электромагнитных волн в пустоте и в диэлектриках, поэтому обнаружение, а
главное, генерация этих волн, представляли собой важную экспериментальную задачу.
Эту задачу успешно решил Генрих Герц, сначала построив математическую теорию
излучения колеблющегося диполя, а затем изготовив вибратор,
излучающий волны определенной частоты. Герц доказал, что для излучаемых
волн характерны интерференция, поляризация, преломление и отражение, а также измерил
их скорость и длины волн. Полученная скорость совпала со скоростью света, что
вместе с обнаруженными Герцем другими свойствами волн, характерными для света,
делало практически неоспоримой гипотезу о его электромагнитной природе.
|
|
