Уже в XIX в. физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались они обособленно друг от друга. Дальнейшее их исследование показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых создать единую электромагнитную теорию. Действительно, датский ученый X. Эрстед (1777—1851), поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело ученого к мысли, что электрический ток создает магнитное поле. Позднее английский физик М. Фарадей (1791—1867), вращая замкнутый контур в магнитном поле, открыл, что в нем возникает электрический ток. На основе опытов Эрстеда, Фарадея и других ученых английский физик Дж. Максвелл (1831—1879) создал свою электромагнитную теорию, т.е. теорию о существовании единого электромагнитного поля. Таким путем было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и физические поля.
После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее в первое время ученые пытались объяснить электромагнитные процессы, в том числе и световые явления, с помощью механических моделей, основанных на понятиях и принципах механистической картины мира. В этом можно убедиться, обратившись к краткой истории появления первых гипотез о природе электричества и магнетизма.
4.1. Гипотезы о невесомых электрических и магнитных жидкостях
Рудименты старых представлений об электричестве до сих пор сохранились в научном языке. Мы постоянно слышим, как физики говорят, что электрический ток течет по проводнику от высокого потенциала к
низшему, как будто электричество подобно жидкости. В самом начале исследований электрические и магнитные явления на самом деле рассматривались как невесомые, положительно и отрицательно заряженные жидкости, поскольку с помощью таких гипотез можно было объяснить известные к тому времени эксперименты. Такие опыты проводят обычно при изучении курса физики в средней школе.
Если натереть эбонитовую палочку кусочком шерстяной ткани и поднести потом к металлической головке электроскопа, то его листочки расходятся. Отсюда делается вывод, что в результате трения эбонитовая палочка зарядилась отрицательно и этот заряд передала электроскопу. Листочки электроскопа, заряженные одноименным электричеством, отталкиваются друг от друга и поэтому расходятся. Аналогично этому, если натереть стеклянную палочку кошачьим мехом, она зарядится положительно. При прикосновении к электроскопу листочки, заряженные положительным одноименным электричеством, также разойдутся.
Гипотеза о существовании невесомых электрических жидкостей основывается на следующих предположениях:
1. Электричество представляет собой определенную субстанцию, подобную веществу, а именно жидкость.
2. В каждом незаряженном теле находится одинаковое количество положительного и отрицательного электричества, и поэтому они взаимно нейтрализуют друг друга. При этом какое электричество называть положительным или отрицательным — вопрос чисто условный.
3. В результате определенных действий, например трения, один вид электричества можно отделить от другого.
4. Имеется два вида тел, в одних из них электрические жидкости могут двигаться свободно, и поэтому они называются проводниками электричества. В других — не могут двигаться, и поэтому они называются изоляторами. К проводникам относят металлы, землю, человеческое тело. К изоляторам — фарфор, стекло, резину и т.п.
Все эти предположения, хотя и объясняют простейшие опыты с электрическими явлениями, связаны с попытками распространения механистической концепции о невесомых жидкостях на явления, принципиально отличные от механических явлений. Поскольку течение жидкости происходит при разных ее уровнях, постольку пришлось и для электричества ввести понятия разности потенциалов. Возникает, однако, вопрос: отличается ли вес заряженного тела от электрически нейтрального тела?
Опыт показывает, что их вес является одинаковым. Чтобы согласовать этот факт с допущением о существовании электрических жидкостей, пришлось объявить их невесомыми субстанциями, а тем самым отойти от механистической концепции.
Невесомые субстанции раньше в большом числе придумывались для объяснения целого ряда новых явлений немеханической природы. Так, например, теплоту рассматривали тоже как невесомую субстанцию, подобную жидкости, которая течет от горячего тела к холодному, если привести их в соприкосновение. В результате их температура станет одинаковой. Однако совсем иначе происходит с электричеством, ибо при взаимодействии разноименно заряженные тела становятся электрически нейтральными.
При дальнейшем развертывании исследований явлений электричества попытки их объяснения с помощью механистических представлений наталкивались на более серьезные трудности. Еще в конце XVIII в. итальянский ученый А. Вольта (1745—1827) построил прибор, который теперь известен как вольтов столб, состоящий из нескольких элементов. Каждый такой элемент представляет собой батарею, в которой в сосуд, где налита вода и немного серной кислоты, опущены медная и цинковая пластинки. Если соединить эти пластинки проволокой, то в цепи возникнет электрический ток. Между медной и цинковой пластинками, согласно гипотезе об электрической жидкости, должна возникнуть разность потенциалов, которая в случае двух заряженных тел, соединенных проволокой, быстро исчезает, а в батарее продолжает сохраняться. Это заставило Вольту предположить, что пластинки «поставляют неограниченный заряд или производят непрерывное действие, или импульс электрической жидкости». Обратите внимание, Вольта еще рассматривает электричество как жидкость. Он не раскрывает и не анализирует причину возникновения разности потенциалов на пластинках в результате возникновения химических процессов в растворе, а тем самым не рассматривает его как процесс превращения химической энергии в электрическую.
В конце XIX в. место гипотетических электрических и магнитных жидкостей заняла новая концепция единого электромагнитного поля. Если в механике изменения и движение материальных частиц совершаются с помощью внешних сил, приложенных к частицам или образованному из них телу, то в электродинамике изменения совершаются под воздействием сил поля.
4.2. Электромагнитное поле и его особенности
Первоначально в исследованиях М. Фарадея понятие электромагнитного поля играло вспомогательную роль и служило в качестве наглядной иллюстрации для демонстрации сил поля. Однако впоследствии оно стало таким же фундаментальным понятием, как и понятие веще-