Закон индукции Фарадея был сформулирован в 1834 году и стал экспериментом, который привел Эйнштейна к открытию теории относительности.
Когда мы думаем об Эйнштейне и теории относительности, вокруг нее витают всевозможные легенды. Что вдохновило его на мысль о том, что не существует эфира или среды, через которую проходит свет? Что привело его к мысли, что скорость света есть величина постоянная, неизменная для всех и всех наблюдателей, как бы они ни двигались друг относительно друга?
Было много больших достижений, на которые люди любят указывать. Был эксперимент Майкельсона-Морли, который искал движение в эфире и ничего не обнаружил. Были работы Лоренца и Фицджеральда, показавшие, что длины сокращаются, а время растягивается, когда вы приближаетесь к скорости света. И была работа Максвелла, который десятилетиями раньше объединил электричество с магнетизмом.
Но это было не одно из них. По словам самого Эйнштейна, это был эксперимент Фарадея еще в 1834 году. Это был закон электромагнитной индукции.
Майкл Фарадей был одним из величайших физиков 19-го века, но он был велик в том, что мы не часто ценим. Сегодня мы могли бы отмахнуться от него как от простого ремесленника, потому что его великие успехи были основаны не на уравнениях или явных количественных предсказаниях, а скорее на результатах, которые выявили его гениальные экспериментальные установки.
В то время, когда электричество только начинали использовать, а его применение все еще находилось в зачаточном состоянии, Фарадей открывал глубокие истины о взаимосвязанной природе электричества и магнетизма.
Электричество и магнетизм не всегда были связаны друг с другом. На самом деле они изначально трактовались как совершенно самостоятельные явления.
- Электричество было основано на представлении о заряженных частицах, которые могут быть либо стационарными (где они будут притягиваться или отталкиваться), либо находиться в движении (где они будут создавать электрические токи), при этом статическое электричество является примером первое и молния являются примером последнего.
- Магнетизм рассматривался как постоянное явление, при котором определенные минералы или металлы могли быть постоянно намагничены, а сама Земля также рассматривалась как постоянный магнит, позволяющий ориентироваться по компасу.
Только в 1820 году, с экспериментом в Эрстаде, мы начали понимать, что эти два явления связаны между собой.
Если вы поместите стрелку компаса рядом с проводом, по которому проходит электрический ток, вы обнаружите, что стрелка компаса всегда отклоняется, чтобы выровняться перпендикулярно проводу. Фактически, это было настолько плохо ожидаемо, что при первом проведении эксперимента игла изначально была установлена перпендикулярно проволоке, и никакого эффекта не наблюдалось. Ожидалось, что стрелка будет направлена по направлению электрического тока, а не перпендикулярно ему.
Хорошо для мастеров, которые додумались провести эксперимент с иглой, уже выровненной с проводом, и смогли обнаружить первую связь между электричеством и магнетизмом. Результат этого эксперимента продемонстрировал нечто революционное: электрический ток или движущиеся электрические заряды генерировали магнитное поле. Следующий шаг, предпринятый Фарадеем, будет еще более революционным.
Возможно, вы слышали о третьем законе движения Ньютона: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Если вы толкаете объект, объект давит на вас с равной и противоположной силой. Если Земля тянет вас вниз за счет гравитации, то вы должны тянуть Землю вверх с равной и противоположной силой, также за счет гравитации.
Ну, если движущийся электрический заряд внутри провода может генерировать магнитное поле, то, возможно, справедливо и равное и обратное: возможно, правильное создание магнитного поля может вызвать движение электрических зарядов внутри провода. провод, создающий электрический ток? Фарадей сам провел этот эксперимент и определил, что если изменить магнитное поле внутри проволочной петли, перемещая, например, в нее постоянный магнит или из нее, то в самой петле будет генерироваться электрический ток.
После различных экспериментов с экспериментальной установкой он смог продемонстрировать, как это работает в деталях.
- Когда вы изменяете магнитное поле внутри петли или катушки с проводом, вы индуцируете электрический ток, который препятствует изменению поля.
- Если вы наденете железное кольцо на две петли провода и пропустите электрический ток через одну петлю, вы создадите ток в другой петле.
- Если вы вращаете медный (проводящий) диск рядом со стержневым магнитом с электрическим проводом, вы можете генерировать постоянный электрический ток; это было изобретение первого электрического генератора.
- И если вы переместите катушку с токоведущим проводом внутрь или наружу катушки с проводом, через которую не проходит ток, это создаст электрический ток в большей катушке.
Это стало известно как закон индукции Фарадея и было хорошо понято на этом уровне к 1834 году. Именно размышляя об этом явлении, Эйнштейн впервые начал раскрывать свой принцип относительности. Представьте себе две следующие установки, обе из которых включают стержневой магнит и катушку с проволокой:
- У вас есть фиксированная стационарная катушка с проволокой и стержневой магнит, который вы можете перемещать в катушку с проволокой или из нее. Вы перемещаете магнит в катушку с постоянной скоростью и наблюдаете, как в катушке появляется электрический ток.
- У вас есть фиксированный стационарный стержневой магнит и катушка проволоки, которую вы можете свободно надевать или снимать с магнита. Вы перемещаете катушку на магнит с постоянной скоростью и наблюдаете, как в катушке появляется электрический ток.
Если вы думаете об этих двух сценариях без теории относительности, они будут иметь совершенно разные последствия для того, что произойдет физически.
Когда вы перемещаете магнит в стационарную проводящую катушку, магнит видит, как возникает электрическое поле с определенным количеством энергии, и это поле создает ток в проводнике, зависящий от энергии поля. которые генерирует магнит. Это соответствует случаю №1 выше.
Но если бы вместо этого вы удерживали магнит неподвижным и двигали проводник, вокруг магнита не возникало бы электрического поля. Вместо этого происходит то, что вы получаете напряжение (или электродвижущую силу), возникающее в проводнике, которому вообще не присуща соответствующая энергия. Это соответствует случаю № 2 выше.
Однако экспериментально обе эти установки должны быть эквивалентны. они производят одинаковые электрические токи одинаковой величины и силы в витках проволоки. Это осознание больше, чем что-либо другое, привело Эйнштейна к принципу относительности.
Принцип признает, прежде всего, что не существует такой вещи, как состояние абсолютного покоя. Согласно теории относительности, все наблюдатели, независимо от того, насколько быстро и в каком направлении они движутся, будут видеть одни и те же законы электричества и магнетизма, а также одни и те же законы механики.
Когда мы сегодня говорим об теории относительности, мы почти всегда обсуждаем эксперимент Майкельсона-Морли, показавший, что скорость света не меняется независимо от того, ориентируете ли вы ее по движению Земли (которое находится на скорость 30 км/с относительно Солнца или примерно 0,01% скорости света) или под любым произвольным углом по отношению к движению Земли. Конечно, это могло бы прояснить для нас, как способ объяснить, почему теория относительности должна иметь смысл, оглядываясь назад.
Но это была лишь второстепенная проблема, как утверждал и сам Эйнштейн в литературе, и Макс Борн, писавший об Эйнштейне много лет спустя.
Если бы у Вселенной была система отсчета, отличная от всех других, то должны были бы быть какие-то измерения, которые вы могли бы сделать, чтобы показать вам, как законы природы изменились, когда вы двигались в одной конкретной точке. скорость в одном конкретном направлении. Но это несовместимо с той Вселенной, которая у нас есть. Независимо от того, как быстро вы двигаетесь или в каком направлении вы движетесь, законы физики одни и те же, и любой физический эксперимент, который вы можете провести, даст одни и те же измеримые результаты и приведет к одним и тем же физическим явлениям.
То, как мы воспринимаем эти явления, может различаться в зависимости от нашей системы отсчета, но этого и следовало ожидать. Только сложив вместе все эти части вместе с постоянством скорости света для всех наблюдателей, теория относительности выросла из принципа в полноценную теорию. В 1905 году Эйнштейн навсегда изменил наш взгляд на Вселенную, но зачатки были уже в 1834 году. Относительность не была чудом. Семенам понадобился 71 год, чтобы должным образом прорасти.