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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Teoría electromagnética de la luz. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. "En mi tiempo Newton estaba convencido de que la luz consiste en las partículas más pequeñas, cuya velocidad de movimiento es casi infinita, - dice T. Regge en el fondo de la edición. - Su contemporáneo Huygens, por el contrario, era partidario del mecanismo ondulatorio de propagación de la luz, similar al proceso de propagación del sonido en el aire o en cualquier medio material. La autoridad indiscutible de Newton no permitió el reconocimiento de la hipótesis de Huygens. En 1700, Jung, Fresnel y algunos otros científicos comenzaron a estudiar fenómenos ópticos que eran incomprensibles desde el punto de vista de las ideas de Newton. Estos fenómenos indicaban directamente la naturaleza ondulatoria de la luz. Paradójicamente, entre estos fenómenos estaban los anillos de Newton, bien conocidos por los fotógrafos y que surgen cuando se colocan transparencias entre placas de vidrio. La coloración brillante de algunos insectos también surge como resultado de procesos complejos de interferencia de ondas de luz que ocurren en capas delgadas de cristales líquidos ubicados en la superficie del cuerpo de los insectos. Sin embargo, a pesar de los éxitos evidentes de la teoría mecánica ondulatoria de la luz en la segunda mitad del siglo XIX, fue cuestionada por dos razones. uno son las experiencias Faradayquien descubrió el efecto de un campo magnético sobre la luz. El otro es el estudio de la conexión entre los fenómenos eléctricos y magnéticos, que fue realizado por Maxwell. “El descubrimiento de la naturaleza electromagnética de la luz es una magnífica ilustración de la dialéctica del desarrollo del contenido y la forma”, escribe P. S. Kudryavtsev. “El nuevo contenido, las ondas electromagnéticas, se expresó en la forma antigua de los vórtices cartesianos. La discrepancia entre el nuevo contenido que apareció como resultado del desarrollo del electromagnetismo, no solo la forma antigua de la teoría de la acción de largo alcance, sino también la teoría mecánica del éter ya la sintió Faraday, quien estaba buscando nueva forma de expresar este contenido. Vio tal forma en las líneas de fuerza, que no deben considerarse estáticamente, sino dinámicamente. El desarrollo de esta idea está dedicado a sus obras "Reflexiones sobre las vibraciones de los rayos" (1846) y "Sobre las líneas físicas de la fuerza magnética" (1851). El descubrimiento por Faraday en 1845 de la conexión entre el magnetismo y la luz supuso un nuevo contenido en la teoría de la luz y, al mismo tiempo, volvió a señalar la estricta naturaleza transversal de las vibraciones de la luz. Todo esto no encajaba bien en la antigua forma de éter mecánico.” Faraday plantea la idea de líneas de fuerza en las que se producen oscilaciones transversales. .) se toman como base de la radiación y los fenómenos asociados a ella, se producen en las líneas de fuerzas que conectan las partículas y, en consecuencia, las masas de materia en un todo. Esta idea, si se admite, nos liberará del éter, que, desde otro punto de vista, es el medio en el que se producen estas oscilaciones. El científico señala que las oscilaciones que se producen en las líneas de fuerzas no son un proceso mecánico, sino una nueva forma de movimiento, “un cierto tipo de oscilación superior”. Tales fluctuaciones son transversales y, por lo tanto, pueden "explicar los maravillosos y diversos fenómenos de la polarización". No son como las ondas de sonido longitudinales en líquidos y gases. Su teoría, dice, “trata de eliminar el éter, pero no las vibraciones”. Estas oscilaciones magnéticas se propagan a una velocidad finita: "... La aparición de un cambio en un extremo de la fuerza sugiere un cambio subsiguiente en el otro. La propagación de la luz, y por lo tanto, probablemente, de todas las acciones radiantes, toma tiempo, y para que la oscilación de las líneas de fuerza para explicar los fenómenos de radiación, es necesario que tal oscilación también tome tiempo”. La búsqueda de una nueva forma llevó al científico a la formación de una importante idea de las oscilaciones magnéticas transversales, que, como la luz, se propagan a una velocidad finita. Pero esta es la idea central de la teoría electromagnética de la luz, una idea que surgió ya en 1832. Maxwell señaló en una nota a W. Bragg: "La teoría electromagnética de la luz propuesta por él (Faraday) en "Pensamientos sobre vibraciones radiales" (mayo de 1846) o "Investigaciones experimentales" es esencialmente la misma que comencé a desarrollar en este artículo ("Teoría del campo dinámico" (mayo de 1865), excepto que en 1846 no había datos para calcular la velocidad de propagación". Tal reconocimiento, sin embargo, no menosprecia el mérito del estudio del campo electromagnético de James Maxwell. James Maxwell (1831–1879) nació en Edimburgo. Poco después del nacimiento del niño, sus padres lo llevaron a su finca Glenlar. Al principio, los maestros fueron invitados a la casa. Entonces se decidió enviar a James a una nueva escuela, que llevaba el fuerte nombre de la Academia de Edimburgo. Maxwell fue uno de los primeros en graduarse de la academia y las puertas de la Universidad de Edimburgo se abrieron ante él. Como estudiante, Maxwell realizó una seria investigación sobre la teoría de la elasticidad, que fue muy apreciada por los especialistas. Y ahora se enfrentaba a la cuestión de la perspectiva de sus estudios posteriores en Cambridge. El volumen del conocimiento de Maxwell, el poder de su intelecto y la independencia de pensamiento le permitieron alcanzar un alto lugar en su liberación. Ocupó el segundo lugar. El joven soltero se quedó en Cambridge - Trinity College como profesor. Sin embargo, estaba preocupado por los problemas científicos. Además de su vieja pasión, la geometría y el problema de los colores, que comenzó a estudiar ya en 1852, Maxwell se interesó por la electricidad. El 20 de febrero de 1854, Maxwell informa a Thomson de su intención de "atacar la electricidad". El resultado del "ataque" es el ensayo "Sobre las líneas de fuerza de Faraday", el primero de los tres trabajos principales de Maxwell dedicados al estudio del campo electromagnético. La palabra "campo" apareció por primera vez en esa misma carta a Thomson, pero Maxwell no la usa en este ni en un trabajo posterior sobre líneas de fuerza. Este concepto reaparece recién en 1864 en el trabajo "Teoría dinámica del campo electromagnético". Publica dos obras importantes sobre la teoría del campo electromagnético que creó: "Sobre las líneas físicas de fuerza" (1861-1862) y "Teoría dinámica del campo electromagnético" (1864-1865). Durante diez años, Maxwell se ha convertido en un destacado científico, el creador de la teoría fundamental de los fenómenos electromagnéticos que, junto con la mecánica, la termodinámica y la física estadística, se ha convertido en uno de los fundamentos de la física teórica clásica. "Tratado sobre electricidad y magnetismo": el trabajo principal de Maxwell y el pináculo de su trabajo científico. En él, resumió los resultados de muchos años de trabajo sobre electromagnetismo, que comenzó a principios de 1854. El prefacio del "Tratado" está fechado el 1 de febrero de 1873. ¡Diecinueve años Maxwell trabajó en su obra fundamental! La investigación de Maxwell lo llevó a la conclusión de que las ondas electromagnéticas deben existir en la naturaleza, cuya velocidad de propagación en el espacio sin aire es igual a la velocidad de la luz: 300 kilómetros por segundo. Habiendo surgido, el campo electromagnético se propaga en el espacio a la velocidad de la luz, ocupando un volumen cada vez mayor. Maxwell argumentó que las ondas de luz son de la misma naturaleza que las ondas que surgen alrededor de un cable en el que hay una corriente eléctrica alterna. Se diferencian entre sí solo en longitud. Longitudes de onda muy cortas es la luz visible. "La suposición de Maxwell de que los cambios en el campo eléctrico implican la aparición de un flujo de inducción magnética fue el siguiente paso", escribe A. A. Korobko-Stefanov. "Por lo tanto, el campo eléctrico alterno resultante alrededor del campo magnético, a su vez, crea un campo magnético que abraza un campo eléctrico, que a su vez excita un campo eléctrico, etc. Los campos eléctricos y magnéticos que cambian rápidamente y se propagan a la velocidad de la luz forman un campo electromagnético. Un campo electromagnético se propaga en el espacio de un punto a otro, creando ondas electromagnéticas. El campo electromagnético en cada punto se caracteriza por la fuerza de los campos eléctrico y magnético. La intensidad de los campos eléctrico y magnético son cantidades vectoriales, ya que se caracterizan no solo por la magnitud, sino también por la dirección. Los vectores de intensidad de campo son mutuamente perpendiculares y perpendiculares a la dirección de propagación. Por lo tanto, la onda electromagnética es transversal. Se deduce de la teoría de Maxwell que las ondas electromagnéticas surgen si los cambios en la fuerza de los campos eléctricos y magnéticos ocurren muy rápidamente. La validez de las ideas de Maxwell fue probada empíricamente por Heinrich Hertz. En los años ochenta del siglo XIX, Hertz comenzó a estudiar los fenómenos electromagnéticos, trabajando en un auditorio de 14 metros de largo por 12 metros de ancho. Encontró que si la distancia del receptor al vibrador es inferior a un metro, entonces la naturaleza de la distribución de la fuerza eléctrica es similar al campo dipolar y disminuye inversamente al cubo de la distancia. Sin embargo, a distancias superiores a 3 metros, el campo disminuye mucho más lentamente y no es el mismo en diferentes direcciones. En la dirección del eje del vibrador, la acción disminuye mucho más rápido que en la dirección perpendicular al eje, y apenas se nota a una distancia de 4 metros, mientras que en la dirección perpendicular alcanza distancias superiores a los 12 metros. Este resultado contradice todas las leyes de la teoría de largo alcance. Hertz continuó investigando en la zona de ondas de su vibrador, cuyo campo luego calculó teóricamente. En una serie de trabajos posteriores, Hertz demostró de manera irrefutable la existencia de ondas electromagnéticas que se propagan a una velocidad finita. "Los resultados de mis experimentos sobre oscilaciones eléctricas rápidas", escribió Hertz en su octavo artículo en 1888, "me mostraron que la teoría de Maxwell tiene una ventaja sobre todas las demás teorías de la electrodinámica". Hertz representó el campo en esta zona de ondas en diferentes momentos de tiempo usando una imagen de líneas de fuerza. Estos dibujos de Hertz se incluyeron en todos los libros de texto de electricidad. Los cálculos de Hertz formaron la base de la teoría de la radiación de antena y la teoría clásica de la radiación de átomos y moléculas. Así, en el curso de su investigación, Hertz finalmente e incondicionalmente cambió al punto de vista de Maxwell, dio una forma conveniente a sus ecuaciones, complementó la teoría de Maxwell con la teoría de la radiación electromagnética. Hertz obtuvo experimentalmente las ondas electromagnéticas predichas por la teoría de Maxwell y mostró su identidad con las ondas de luz. En 1889, Hertz leyó un informe "Sobre la relación entre la luz y la electricidad" en el 62º Congreso de Naturalistas y Médicos Alemanes. Aquí resume sus experimentos con las siguientes palabras: "Todos estos experimentos son muy simples en principio, pero, sin embargo, conllevan las consecuencias más importantes. Destruyen cualquier teoría que considere que las fuerzas eléctricas saltan sobre el espacio instantáneamente. Significan un brillante la victoria de la teoría de Maxwell... Qué improbable parecía antes su punto de vista sobre la esencia de la luz, ahora es tan difícil no compartir este punto de vista. En 1890, Hertz publicó dos artículos: "Sobre las ecuaciones básicas de la electrodinámica en cuerpos en reposo" y "Sobre las ecuaciones básicas de la electrodinámica para cuerpos en movimiento". Estos artículos contenían investigaciones sobre la propagación de "rayos de fuerza eléctrica" y, en esencia, dieron esa exposición canónica de la teoría del campo eléctrico de Maxwell, que desde entonces se ha incluido en los libros de texto. Autor: Samin D.K.
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