Tales of James Maxwell og Hans Manual Daemon

Tales of James Maxwell og Hans Manual Daemon

Nick. Gorkavyy
"Science and Life" №1, 2015

Andre videnskabelige fortællinger Nick. Gorky se i "Science and Life" № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, nr. 11, 2011, nr. 6, 2012, nr. 7, 2012, nr. 8, 2012, nr. 9, 2012, nr. 10, 2012, nr. 12, 2012, nr. 1, 2013, nr. 11, 2013, nr. 1, 2014, nr. 2, 2014, nr. 3, 2014, nr. 7, 2014, nr. 8, 2014, nr. 10, 2014, nr. 12, 2014.

"Nikki, fortæl mig om elektricitet," spurgte Galatea. – Og så forklarede Andrei mig forkert, hvad der er aktuelt.

"Jeg forklarede godt, at du ikke forstod godt," svarede den ældre bror.

"Elektrisk strøm er ikke en let ting," drømte dronning Nicci, som kom til at besøge prinsesse Dzintar og traditionelt fortalte en ny historie til sine børn. – Det tyvende århundrede kaldes ofte ælden af ​​elektricitet, fordi utallige elektriske apparater, der udkom på det tidspunkt, spillede en større rolle i menneskelig udvikling end endda computere, rumraketter og atomkraft, der dog ikke ville eksistere uden elektricitet.

I det tyvende århundrede vendte elektricitet fra en nysgerrighed til civilisationens drivkraft. Den vigtigste rolle i opnåelsen af ​​dette mål blev spillet af en person, som jeg nu vil fortælle om.

Naturlige elektriske fænomener var velkendte selv til primitive mennesker. Eksempelvis lyn og torden: lyn er en lysstråle på grund af udledning af atmosfærisk elektricitet, og torden er dens akustiske akkompagnement.

– Hvilke andre naturlige fænomener er forbundet med elektricitet? – Galatea var nysgerrig.

– Nå, for eksempel, auroraen. De er genereret af strømme af elektroner og protoner, der flyver fra solen og falder ind i jordens magnetosfærens fælde. Glød er født i luften, når skyer af opladede solpartikler akkumuleret i jordens strålebælter overvælder dem og styrter i Jordens atmosfære.

Aurora forekommer i nordlige breddegrader, når kosmiske strømme interagerer med jordens atmosfære. Foto af Lyubov Trifonova (Severomorsk)

Og du kan selv huske nogle naturlige elektriske fænomener?

Børnene tænker.

– Kompas! – udbrød Andrew. – Hans pil er altid "kigger" på den nordlige magnetiske pol.

"Sandt," sagde Nicky. – Metalnålens magnetiske egenskaber er relateret til bevægelsen af ​​elektroner i dets atomer, og planetens magnetfelt er forårsaget af elektriske strømme i smeltet metalflader i jordens centrum. Og når en lille pil i en gennemsigtig boks vender mod nord, kombinerer dens bevægelse virkningerne af microworld og planetariske processer.

Andrei sejrede triumferende på Galatea:

"Hvilket vidunderligt eksempel jeg har fundet!"

Hun rødede og grimte ud:

– Og jeg bliver ofte "stødt" af elektriske udladninger, når jeg lægger på uldtrøje eller optager et metalhåndtag.

– Fantastisk! "Nikki roste Galatea." – Dette er en udledning af statisk elektricitet, der akkumuleres, når en genstand gnider mod en anden. For eksempel forårsager friktion af rav mod uld elektrificering, på grund af hvilket små stykker papir tiltrækkes til rav. På grundlag af dette fænomen, i det nittende århundrede, blev der skabt elektroformaskiner, der akkumulerede ladning i specielle kondensatorbanker og på store metalbolde. Disse maskiner bruges til at studere elektriske fænomener og som kilder til likestrøm.

– Jeg så lynet mellem sådanne bolde! – udbrød Galatea med skinnende øjne. Nikki nikkede godkende.

– I begyndelsen af ​​det nittende århundrede studerede mange forskere fænomenerne elektricitet og magnetisme. Nogle undersøgte de statiske ladninger på boldene, andre de elektriske strømme i ledningerne og hvordan de interagerer med den magnetiserede kompassnål. Og hvor mange elektromagnetiske fænomener er forbundet med hinanden, har længe været et mysterium.

Elektriske udladninger, eller lyn, i skyerne af vulkansk aske. Rinjani vulkanudbrud på øen Lombok i Indonesien i 1995. Foto: Oliver Spalt

Men tilbage til vores helt. I 1831 i Skotland, i familien af ​​ejeren af ​​en stor familie ejendom nær Edinburgh, blev John Clerk Maxwell, søn af James født. Drengen blev nysgerrig, omgivet af bøger og mærkelige mekaniske legetøj. Indtil han var ti, modtog han sin hjemmeuddannelse under tilsyn af en specielt ansat lærer. I 1841 sendte hans far James til en skole, der blev kaldt Edinburgh Academy. Senere, fra 1847 til 1850, studerede den talentfulde unge mand ved University of Edinburgh og flyttede derefter til Cambridge, som han graduerede i 1854.

Edinburgh Academy er den første uddannelsesinstitution, hvor James Maxwell blev uddannet. Foto: Original uploder Var Macunba / Wikimedia Commons

Den omstændighed, at han studerede hårdt, viser følgende kendsgerning. Da Maxwell modtog en besked om obligatorisk deltagelse i morgen tilbedelse på universitetet, sagde han: "På dette tidspunkt går jeg lige i seng."

Maxwell viste sig at være et ægte geni inden for videnskab: han var engageret i astronomi og stabiliteten af ​​Saturns ringe, hvilket skabte grundlaget for farvefotografi og teorien om bevægelse af molekyler i gasser,- Alle fysikere i verden kender "Maxwell distributionen", som f.eks. overholder hastighedsfordelingen af ​​gasmolekyler.

– Jeg hørte om "Maxwells dæmon"! – Andrew blurted ud.

"Ja, dette mikroskopiske imaginære rationelle væsen blev opfundet af Maxwell for et af hans tankeeksperimenter. Tag et fartøj med gas, begrundede han. – Opdel det i en halv med en væg, hvor der kun er en lille dør. Vi lægger nær ved døren dørmandens dæmon. Lad det åbne som lyn foran hurtige molekyler, der kun flyver fra venstre side af skibet til højre og foran langsomme molekyler, der kun bevæger sig fra højre til venstre og slam det foran resten af ​​partiklerne. Efterhånden som dæmonens utrættelige arbejde opstår, vil varm gas med hurtige molekyler akkumulere til højre, og kold gas med langsom molekyler akkumuleres til venstre. Hvis du gør døren meget lys, så vil dæmonen ikke virke for hårdt, men hvor meget gavn kan det medbringe! Det er sandt, at dette krænker fysiske vigtige love, som gør demonens paradoksale arbejde.

tegning til venstre), og som følge heraf bliver i venstre kammer i koldt koldt, og den rigtige varme (tegning til højre). Fig. Htkym / Wikimedia Commons / CC-BY-SA "border = 0>

Maxwells dæmon sorterer molekyler af deres hastighed (tegning til venstre), og som følge heraf bliver i venstre kammer i koldt koldt, og den rigtige varme (tegning til højre). Fig. Htkym / Wikimedia Commons / CC-BY-SA

– Ved at gøre Maxwell dæmon arbejde, kan du lave et køleskab, der ikke har brug for elektricitet! – lo Galatea

– Og en kedel! – Andrey støttede hende.

– Forskere har brugt meget på at forstå den listige dæmon Maxwell, indtil de indså, at ikke en eneste dæmon vil arbejde gratis – det vil stadig kræve gebyr.

Men tilbage til elektricitet. Maxwell var fascineret af det matematiske problem med at beskrive elektromagnetiske fænomener, men han kunne ikke forbinde hviledata og strømme i ledningerne. Han syntes generelt at skabe matematiske teorier, der beskriver naturlige fænomener. Maxwell sagde: "Hvis du finder dig selv et eller andet sted forkert, vil naturen straks fortælle dig om det." Han brugte en stor indsats på oprettelsen af ​​ligninger, som beskriver alle kendte magnetiske og elektriske fænomener. Til sidst lykkedes det ham!

– Er det alt? sagde galatea utroligt

– Alt er alt, og ikke kun kendt, men også uopdagede fænomener! Maxwells værker,Hertz og andre fysikere har vist, at elektricitet er til stede i naturen overalt og deltager i en række fænomener: den akkumuleres i atmosfæriske skyer og udledes af lyn under tordenvejr, strømmer i underjordisk smeltet magma, hvilket tvinger kompaspile til at se mod nord og forekommer i kogende stjerne . Askeskyer electrify ikke værre end regn skyer, så vulkanske udbrud ledsages også af kraftig lyn. Kort sagt, elektricitet er et fantastisk naturfænomen, at mennesket har formået at tæmme og blive til den mest moderne teknologi i den moderne civilisation.

– Så hvad er elektrisk strøm? spurgte Galatea.

– Dette er både et meget simpelt og meget svært spørgsmål. I nogle lærebøger er det skrevet, at elektrisk strøm er den rettede bevægelse af elektroner gennem ledninger. Mange mennesker tror det. Men hvis du klikker på kontakten på væggen, så kommer elektronerne fra denne kontakt til lysekronen (formode, at vi bruger en konstant, det vil sige ikke ændre dens retning, nuværende) timer om ti.

Portræt af den store James Maxwell og siden fra sin afhandling om elektrodynamik.Foto fra Maxwells to-volumenarbejde. Publishing House "Science", 1989

– Hvordan så? – Galatea blev overrasket – Pæren tændes straks!

– Det er rigtigt! Men faktum er, at elektronerne bevæger sig med en hastighed på omkring en millimeter per sekund. Og hvis vi tager højde for, at i et almindeligt husstandsnettet den elektriske strøm er vekslende (med retningsændring 50 gange i sekundet), så vil elektronerne fra kontakten ikke gå nogen steder, de vil bevæge sig frem og tilbage på et ubetydeligt (fra vores synspunkt) del af ledningen.

"Men hvordan ved pæren, at det er tid til at lyse op?" – Galatea var forvirret

"For bedre at forstå, hvad elektrisk strøm er, lad os lave et mentalt eksperiment: Vi vil placere ti soldater på en ti kilometer lang vej ad en kilometer af hinanden. De ser alle i en retning, som det burde være i rækken, og lytte omhyggeligt til hinanden. Her er den sidste soldat i linjen råber "Marsh!" og begynder at bevæge sig fremad. Den næste soldat, der havde fanget sin knapt hørbare kommando, der havde fløjet bagfra, gentog straks højt det: "March!" – og begynder også at gå fremad, og så videre, indtil den første soldat i rækken begynder at marchere efter at have hørt kommandoen fra den forrige.Lyden rejser en kilometerafstand på tre sekunder, hvilket betyder kommandoen "March!". Det er ti kilometer væk i et halvt minut. I disse halve minutter gik den første soldat kun 40 meter. Hvis vi sidestiller de langsomme elektroner til soldaterne, og kommandoprompten, som de sender til hinanden – til det elektromagnetiske felt, vil vi forstå, hvorfor elektronerne, bevæger sig langsomt, bevæger sig rundt om wiren på samme tid. Og lampe uden at vente på langsomme elektroner fra udløbet kommer straks – snarere elektronerne modtaget elektromagnetisk felt kommando, som udbredes gennem tråden ved en hastighed på tre hundrede tusinde kilometer i sekundet, begynder at bevæge sig rundt i metaltråd og spiralformet kaldet varmelegeme, i det væsentlige samtidigt .

– Så er hastigheden af ​​det elektromagnetiske felt lig med lysets hastighed i et vakuum? – spurgte Andrei. – Er det en tilfældighed?

– Selvfølgelig ikke! udbrød Nikki. – Maxwells vigtigste fortjeneste er ikke kun, at han sætter de elektrodynamiske kendte love i orden. Maxwell bemærkede, at han manglede skønhed.Og han tilføjede til en af ​​ligningerne et udtryk der førte til symmetri mellem de elektriske og magnetiske felter! Ingen af ​​de eksperimenter, der blev udført på det tidspunkt, tvang ham til at tage et sådant skridt. Men en matematisk smuk teori er mere tilbøjelig til at være korrekt. Skønhed og symmetri blev gradvis vejledende stjerner af teoretiske fysikere og pegede vejen til det ukendte.

Efter en sådan tilføjelse blev et mirakel afsløret for Maxwell: det viste sig, at eksistensen af ​​elektriske og magnetiske felter ikke nødvendigvis er tilstedeværelsen af ​​ladninger og strømme! Elektriske og magnetiske felter, der ikke er fastgjort til ladninger og strømme, kan bevæge sig i tomt rum, selv i det renteste vakuum. Sådanne felter har form af rejsebølger, hvor de elektriske og magnetiske felter ikke eksisterer uden hinanden – de er tæt sammenflettet og strømmer ind i den anden i rummet. Maxwells ligninger viste, at udbredelsen af ​​sådanne bølger er lig med lysets hastighed i et vakuum. Ved at realisere dette besluttede forskeren sig for en fantastisk udtalelse: Maxwell sagde, at disse elektromagnetiske bølger er det lys, der er født af solen og et lys, lyn og lys.

Monument til James Maxwell i Edinburgh.Skulptør A. Stoddart. Foto: Kim Traynor / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0

– Wow! – gasped agitated Galatea. "Firefly er også et elektrisk fænomen!"

"Men det er kun Maxwells antagelse," Andrew var skeptisk. "Hvordan ved vi, at Maxwell har ret, og at hans ligninger korrekt beskriver sollys?"

– Spørgsmålet er i det væsentlige! – roste Andrey Nikki. – En god teori bør ikke kun beskrive allerede kendte fænomener, men forudsige også nye, og forudsigelsen skal være specifik nok til at give en budskab til eksperimenterne: se! Og hvis resultatet af eksperimentet er i overensstemmelse med forudsigelsen af ​​teorien, er teoretikeren ret.

Galatea kiggede forbandet på Andrei. Hun havde ingen tvivl om, at forudsigelsen af ​​en så klog fysiker som Maxwell, som selv beordrer dæmoner, ville modstå den mest alvorlige eksperimentelle verifikation. I mellemtiden fortsatte Nikki:

– For at bekræfte Maxwells geniale gætteri er det kun et skridt: At skabe elektromagnetiske bølger eksperimentelt, kontrollere ladninger og strømme ved hjælp af ledninger, magneter og batterier. Denne opgave blev løst af en anden strålende fysiker – Heinrich Hertz.Han formåede at oprette og registrere elektromagnetiske bølger med lavere frekvens end lysbølger. Nu kalder vi dem radiobølger, og de begyndte at måle frekvensen af ​​forskellige vibrationer i Hertz: Hertz (Hz) – antallet af oscillationer pr. Sekund. For eksempel i hertz måles frekvensen af ​​en vekselstrøm i et konventionelt husholdningsnet, – det ændrer retningen med en frekvens på 50 Hz.

Nikki kiggede på den opmærksomt lyttende pige.

– Lad os vende tilbage til dit spørgsmål om arten af ​​elektrisk strøm, Galatea. Selv om det elektromagnetiske felt rykker meget hurtigt langs ledningen, og elektronerne kryber langs metaltråden med hastigheden af ​​cochlea, er de nært beslægtede. Den elektriske strøm, der formeres gennem ledningerne, er en manifestation af den langsomme elektroners fælles bevægelse og et hurtigt elektromagnetisk felt. Dette er det nemmeste svar. Men hvis du graver dybere – og det er en meget spændende aktivitet i enhver aktivitet – så viser det sig, at selv elektrisk strøm i et almindeligt husholdningsnetværk er et meget komplekst atomfænomen.

Lad os spørge os selv: hvordan virker elektrisk strøm i vores hjem? Lad os gå væk fra de komplekse enheder, overvej den sædvanlige spiralbrænder el-komfur eller spiraljern, der opvarmes, når det passerer en elektrisk strøm.Hvad sker der mellem elektroner og en metal spiral? Hvorfor bliver hun så varm?

For at besvare dette spørgsmål, lad os fantasere. Har du nogensinde spillet fodbold i en tæt skov, hvor murstærer vokser? Prøv at ramme bolden med stærke slag i en afstand af hundrede meter. Denne opgave er simpel for en almindelig fodboldbane, i en tæt skov bliver til exigeant tilfælde. Hver gang bolden rammer, rammer det træet og hopper tilbage eller væk fra det. Dine ben giver ham den rigtige retning, og træerne fører ham på vild. Når du endelig udfører opgaven, tørre sveden fra panden og tænk. Bolden bliver spillet rollen som en elektron, du – det elektromagnetiske felt, accelererer den i den rigtige retning, og stammerne af fyrretræer afbildet metalatomer der spreder elektroner og forhindrer dem i at bevæge sig. Den energi, som du, eller rettere, er det elektromagnetiske felt brugt på at skubbe elektroner gennem "krat" af atomer går til varmetråde.

– Så når den rammer bolden fra fyrretræer begynder at vrikke – dette er en analog til varmen, der udsendes atomer? – spurgte Andrew, smilende.

– Det er rigtigt.Loven fra den tyske fysiker George Ohm forbinder modstanden af ​​et materiale, spænding og styrken af ​​en elektrisk strøm. Den er formuleret ud fra mange eksperimenter, men uden forståelse af interne processer. For at beskrive nøjagtigt er den elektriske modstand kun mulig inden for kvantemekanik, som ikke var i tiden for Ohm. Faktisk friterer vi røræg og slår vores bukser på kvantvarme, hvilket er resultatet af komplekse interaktioner mellem elektroner, atomer og det elektromagnetiske felt.

Hver organisme er i live, mens du modtager energi udefra. I dette ligner vores huse levende organismer – de har også brug for energi til deres funktion, og de modtager det via ledninger eller rettere gennem en metaltråd. En elektrisk strøm bevæger sig langs den, som tænder lamperne, gør køleskabet, fjernsynet, telefonen, støvsugeren, el-komfuret og mange andre apparater, der drives af el-arbejde.

Radio, tv, computere, mobiltelefoner – alt dette skyldes Maxwell og hans ligninger, der adlyder de elektromagnetiske felter i stjerner og auroras, el-udtag og computerprocessorer.

James Maxwell (1831-1879) – den store britiske fysiker, en skot ved fødslen. Laid grundlaget for klassisk elektrodynamik.

Heinrich Hertz (1857-1894) – en fremragende tysk fysiker. Baseret på forudsigelserne af Maxwells teori kunne han generere elektromagnetiske bølger ved hjælp af elektrotekniske metoder. Derved bekræftede han ikke kun gyldigheden af ​​Maxwells ligninger, men lagde også grundlaget for radiokommunikation.

Georg Om (1789-1854) – den berømte tyske fysiker. Han opdagede en lov, der forbinder spænding og strøm med en leders elektriske modstand.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: