Вже в епоху античності (VI ст. до н. е.) був відомий факт, що деякі тіла, зокрема бурштин, після тертя починають притягувати інші тіла. Хоч магнітні й електричні явища були відомі ще до нашої ери, вперше чітко розмежував їх наприкінці XVI ст. У. Гільберт, який поклав початок науковому вивченню магнітних явищ. Він встано-
вив, що багато тіл, подібно бурштину, здатні притягувати легкі предмети після тертя їх. У. Гільберт дослідив ці властивості і на звав їх електричними ( від грец. electron - янтар). Англійський фізик Грей Стефан (1670-1736) у 1729 р. відкрив явище електропровідності й показав, що електричний заряд роз повсюджується на поверхні тіла. Англійський природодослідник Дезагюльє Жан Теофіл (1683-1744) вжив поняття провідника і не провідника електрики і сам термін “провідник” (1742). Б. Франклін сформулював унітарну теорію електрики, увів поняття додатного і від’ємного зарядів та відповідні позначення (+ і -), відкрив закон збереження електричного заряду (1750). Якщо в просторі змінюється електричне поле, то внаслідок індукції воно спричиняє в цій області простору і прилеглих до ньо го областях змінне магнітне поле, яке, у свою чергу, породжує змінне електричне поле і т. д. Сукупність таких змінних електричних і маг нітних полів створює електромагнітне поле (ЕМ П). Виникнувши в певному місці, змінне ЕМП передається від однієї точки простору до іншої з певною швидкістю. Цей процес поширення змінного ЕМП в просторі називається електромагнітною хвилею. У 1820 р. датський фізик Ганс Крістіан Ерстед експерименталь но виявив дію постійного електричного струму на магнітну стрілку (рис. 21.1). У дослідах Ерстеда магнітна стрілка розміщувалась під або над провідником пара лельно в напрямі північ-південь уздовж меридіана. Під час пропус кання струму крізь провідник маг нітна стрілка поверталась і нама галась зайняти перпендикулярний до провідника напрямок. Зі Рис. 21.1. Дослід Ерстеда - дія зміною напряму струму в про електричного струму на магніт віднику на протилежний зміню ну стрілку вався і напрям дії сили на магніт ну стрілку (вона поверталася на 180°). При віддаленні магнітної стрілки від провідника орієнтуюча дія зменшувалася. Якщо струм вимикався, то стрілка поверталася у вихідне положення. Дослідами Ерстеда встановлено декілька фундаментальних відкриттів. По-перше, було з’ясовано, що в просторі навколо про відника зі струмом діють сили, подібні до тих, які діють поблизу природних і штучних магнітів. Згодом було досліджено, що елект ричні струми взаємодіють із магнітною стрілкою за допомогою
матеріального посередника - магнітного поля. По-друге, встанов лено, що значення магнітного поля в різних точках простору на вколо провідника зі струмом є різним. По-третє, показано, що маг нітне поле має напрям у просторі, тобто є векторним полем. Досліди Ерстеда мали надзвичайно важливе значення для розу міння природи електромагнітного поля і послужили основою роз витку електрометрії. Після відкриття Ерстеда почалися інтенсивні дослідження магнітних полів струмів. Вже у 1820 р. французький вчений А. Ампер встановив закон механічної (пондеромоторноі) взаємодії двох елементів струмів, які містяться на певній відстані один від одного. В 1829 р. Факс впер ше поставив досліди зі спостереження земних струмів і встановив, що руда в природних умовах може розвивати електрорушійну силу і давати в оточуючий простір електричний струм. У 1830 р. К. Ф. Гаусс сформулював основну теорему електро статики. В 1831 р. М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. Він, творець вчення про електромагнітне поле, першим ввів поняття поля, в 1845 р. застосувавши термін, а у 1852 р. чітко сформулював свою концепцію поля. Якщо у Ньютона та інших учених простір виступав як пасивне вмістилище тіл і електричних зарядів, то у Фарадея простір бере участь у явищах. Пізніше Альберт Ейнштейн (1879-1955) напише: “Необхідно мати величезний дар наукового передбачення, щоб розпізнати, що в опису електричних явищ не заряди і не частинки описують сутність явищ, а швидше простір між зарядами і частинками”. На думку Ейнштейна ідея поля була найоригінальнішою ідеєю Фарадея, най важливішим відкриттям із часу Ньютона. Близько підійшов Фарадей і до закону збереження і перетво рення енергії, висловивши у 1840 р. думку про єдність сил при роди (різних видів енергії) та їх взаємне перетворення. У 1843 р. Фарадей експериментально довів закон збереження електричного заряду. Найбільшим науковим досягненням у 1860-1865 рр. була теорія електромагнітного поля, яку створив Д. Максвелл. Вона сформу льована у вигляді системи декількох рівнянь і включає всі основні закономірності електромагнітних явищ. У 1862 р. Максвелл висло вив припущення про існування електромагнітних хвиль, довівши, що у вакуумі вони поширюються зі швидкістю світла. У результаті Максвелл зробив висновок, що світло має електромагнітну приро ду, а за межами видимого спектра можуть бути й інші види елект ромагнітних хвиль. їх повний спектр виглядає наступним чином (у порядку збільшення довжини хвилі): рентгенівське випроміню
вання, y-промені, ультрафіолетове світло, видиме світло, інфра червоне випромінювання, мікрохвилі, радіохвилі. Передбачення Максвела про існування електромагнітних хвиль за межами інфрачервоного діапазону було підтверджено у 1887 p., коли Генріх Герц (1857-1894) розробив метод виявлення і створен ня радіохвиль, довівши, що швидкість радіохвиль дорівнює швид кості світла. Електромагнітні хвилі представляють собою періо дичні коливання електричних і магнітних полів, що поширюються у середовищі чи вакуумі. Для поширення таких хвиль наявність се редовища не обов’язкова. За сучасними уявленнями ЕМП Землі є постійно діючим меха нізмом взаємодії між електрично зарядженими частинками всіх її оболонок. Зміна стану цих частинок в часі і просторі викликає елек тричні струми, які супроводжуються магнітними полями. Звідси випливає, що електромагнітне поле являє собою єдине ціле, що має дві форми прояву. Одна з них - електричні поля з власними джере лами струму, друга - магнітні поля, що утворюються рухомими електричними зарядами і спіновими (від англ. spin - обертання) мо ментами носіїв магнетизму (електрони, протони та ін). Зв’язок між електричними і магнітними полями значною мірою залежить від інтенсивності змін електромагнітного поля. При по вільних його змінах цей зв’язок не відіграє суттєвої ролі, оскільки відомо, що напруженість одного поля, яка збуджується змінами дру гого, пропорційна швидкості цих змін. У таких випадках електро магнітне поле умовно можливо розглядати як два окремих поля електричне і магнітне. Фізичною ж реальністю є єдине електромаг нітне поле, яке має електричну (Е) і магнітну (Н) напруженості, що змінюються в часі (t) і в різних точках простору (к, ф), маючи неоднакові значення, тобто E(A,(p,t) і Н(A.,(p,t). Напрям векторів напруженості електричного і магнітного полів, а також напрям поширення електромагнітних хвиль взаємно пер пендикулярні (рис. 21.2). Вектор напруженості електричного поля ї? ко ливається у вертикальній площині zOx, а вектор напруженості магнітного поля Й в горизонтальній площині уОх. Навколо Землі існує Рис. 21.2. Схема поширення електромаг електричне поле напру нітної хвилі женістю у середньому
1ЗО В/м, яке зменшується від середніх широт до полюсів та до еква тора, а також за експоненціальним законом з віддаленням від зем ної поверхні. Спостерігаються річні, добові та інші варіації цього поля, а також випадкові його зміни під впливом грозових розрядів, опадів, завірюх, пилових бур, вітрів. Науково-практичне значення електромагнітного поля Землі та його складових величезне. Розвиток астрофізики, геофізики і гео фізичної екології привів до поняття величезної ролі сонячної ак тивності в різних процесах, що проходять на Землі. Це знайшло своє відображення у встановленні тісного взаємозв’язку між маг нітною активністю і різними природними процесами. Тепер добре відомо, що зміни атмосферного тиску, температури повітря (особ ливо в полярних районах), посухи, холодні вторгнення та інші про цеси на нашій планеті тісно пов’язані з електромагнітним полем Землі. Це означає, що об’єктивний аналіз стану земної атмосфери слід проводити із врахуванням її електромагнітних параметрів і вла стивостей. Точні відомості про характеристики електричних полів, елект ричної провідності повітря, води і твердих речовин є необхідними при вирішенні ряду загальнотеоретичних і прикладних завдань (по шук корисних копалин, боротьба з корозією, оцінка якості води річок, озер тощо). Галузі наукового і практичного застосування відо мостей про електричні поля Землі безперервно розширюються. Електромагнітні властивості геосфер характеризуються рядом параметрів: питомою електричною провідністю у, питомим елек тричним опором р, відносною діелектричною проникністю в і де якими іншими. Всі вони змінюються в часі та просторі і мають неод накове значення в різних оболонках Землі.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Еволюція знань про електромагнітне поле Землі» з дисципліни «Геофізична екологія»
