Názov projektu: CIV – Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: 11230100112
Vladimír Plášek
Historické osobnosti fyziky
ANDRÉ MARIE AMPÉRE ( 20. 1. 1775 Polémieux – 10. 6. 1836 Marseille) ·
ako prvý rozlíšil pojmy elektrické napätie (príčina)
a elektrický prúd (následok) ·
Formuloval pojem elektrického prúdu, ktorého
jednotka dnes nesie jeho meno ·
kvantitatívne a kvalitatívne popísal interakciu
magnetu a prúdu (Amperovo pravidlo) ·
V roku 1822 zostrojil solenoid
·
Skúmal vzájomné pôsobenie dvoch vodičov s
prúdom ŽIVOTOPIS: ·
narodil sa 20. 1. 1775 vo francúzskom Polémieux
·
vzdelával sa doma, ako 12- ročný ovládal diferenciálny počet, mal veľký talent
·
ako 18- ročný mal podrobne preštudované diela Lagrangea a Laplacea zo zväzkov
francúzskej encyklopedie ·
aby mohol čítať diela Eulera v origináli, naučil sa počas niekoľkých týždňov latinčinu
·
v r. 1793 bol jeho otec popravený v Lyone, André prežil rok v hlbokej depresii,
sedával bez pohnutia, alebo mechanicky premiestňoval kôpku piesku na dve menšie ·
z letargie ho prebrali Rousseove diela a začal sa zaoberať matematikou, fyzikou
a chémiou, stal sa súkromným učiteľom ·
prvá manželka mu po 4 rokoch zomrela, znova upadol do depresie, útechu hľadal vo
fyzikálnych prácach, pokusy robil na parížskej polytechnike ·
bol tichý, roztržitý, javil nezáujem o praktický život
·
v r.1814 sa stal členom Parížskej akadémie vied ako Lagrangeov nástupca
·
nebol spokojný, aj keď získal mnoho vyznamenaní, pracoval v 64 vedných odboroch
v oblasti Matematiky, fyziky, biológie, chémie a filozofie jeho epitaf: „Tandem felix.“(konečne šťastný)
·
Aragova demonštrácia Oerstedovho pokusu 11.9.1820 zapôsobila na Ampéra.
Ampére nebol veľký experimentátor, ale hneď začal robiť pokusy s prúdom a magnetkou. V priebehu týždňa zistil, že magnetické účinky vyvoláva nielen vodič s prúdom, ale aj Voltov stĺp. Ampér pokladal slučku s prúdom za rovnocennú s magnetom. V nasledujúcom týždni sa usiloval túto myšlienku experimentálne potvrdiť. Zadovážil si silnejší Voltov stĺp a 25.9.1820 už dokázal rovnaké účinky magnetov a špirálových vodičov. Zaviedol pojmy elektrické napätie, elektrický prúd, smer elektrického prúdu, solenoid, elektrostatika. Navrhol prístroj na zisťovanie prítomnosti prúdu vo Voltovom stĺpe, ktorý nazval galvanometer. Uvedomil si, že ak nájde zákon pôsobenia dvoch prúdových elementov, bude môcť matematicky opísať interakciu vodičov prúdu i magnetov, teda všetky elektrické i magnetické javy. Budoval svoju elektrodynamiku v duchu Newtonových Princípií, ako sám píše: „pozorovať, merať, odvodiť všeobecné zákony vychádzajúce výlučne z pokusov a z týchto pokusov, bez akýchkoľvek predpokladov o povahe síl tieto javy vyvolávajúcich, odvodiť matematické vyjadrenie uvedených síl, čiže vzorec, čo ich reprezentuje- to bola cesta, po ktorej kráčal Newton... Týmto smerom som sa uberal aj ja pri skúmaní elektromagnetických javov.“ ·
O zákone, ktorý odvodil píše: „Rôzne prípady príťažlivosti a odpudivosti, ktoré sa
vyskytujú v prírode, mi vnukli myšlienku, že aj sila, ktorú hľadám, bude nepriamo úmerná vzdialenosti. Pre väčšiu všeobecnosť som predpokladal, že je nepriamo úmerná rn, kde n je konštanta, ktorú treba určiť.“ Po dlhých výpočtoch dokázal, že n=2 a výraz pre silu je ·
i1 .i2 .ds1 .ds 2 1 (sin J1 sin J2 cos w - cos J1 cos J2 ). 2 2 r
Vyslovil tieto hypotézy:
1. neexistuje magnetické fluidum, magnetizmus má elektrickú povahu- je podmienený molekulovými prúdmi. Tyčový magnet je súbor častíc, orientovaných rovnakým smerom, ktoré obteká elektrický prúd v rovinách kolmých na os magnetu. 2. vzájomné pôsobenie prúdovodičov, magnetov a prúdovodičov na jednej a magnetov na druhej strane sa môže redukovať na interakciu medzi prúdmi. Preto stačí odvodiť zákon vzájomného účinku dvoch prúdovodičov AKTIVITA: Zopakujte pokusy, ktoré urobil A.M. Ampére.
Pomôcky: magnetka, drôt (elektrický vodič), 2 tyčové magnety, cievka, klinčeky, „kus železa“ (napr. železný pilník), batéria elektrických článkov. Na Ampérovom pracovnom stole stála mnohočlánková Voltova batéria. Vedľa batérie stálo viacero prístrojov, pripravených na rozličné pokusy. Ampére sa dal ihneď do práce. – – Pozri, tu mám voľne zavesenú magnetku, ktorá sa môže otáčať vo vodorovnej polohe. Vidíš, ihla sa ustálila v smere od severu k juhu. Nad magnetkou visí tento drôt v rovnakom smere ako ihla. Ale teraz ním ešte neprechádza prúd. – Ampére zapojil prúd. Ihla magnetky sa ľahko vychýlila a zastavila sa v polohe, šikmej k polohe drôtu. – Ako vidíš Francois, elektrický prúd pôsobí na magnetku a vychyľuje ju z pôvodnej polohy. Až potiaľto dospel Oersted. – Ampére urobil ďalší pokus, potom tretí a štvrtý. Napokon siahol za cievkou, na ktorej bol navinutý izolovaný medený drôt, zavesil ju tesne nad dosku stola, takže sa vznášala vo vodorovnej polohe. Potom spojil oba konce drôtu s pólmi batérie. Figliarsky sa zatváril a uškrnul sa na Araga. – Čo sa stane, ak vezmem dva magnety a priblížim ich k sebe južnými pólmi?– Arago sa zasmial. – Oba južné póly sa budú navzájom odpudzovať, André. – – A čo sa stane ak priblížim južný pól jedného magnetu k severnému pólu druhého magnetu? – Vtedy, ak sa nemýlim, sa budú navzájom priťahovať. – – Teraz sa pozri sem – ukázal Ampére vážne, – do tejto drôtenej cievky zavediem prúd. – Ampére vzal do ruky tyčový magnet. – teraz sa priblížim jedným pólom magnetu ku koncu cievky. Čo pozoruješ Francois? – – Magnet cievku priťahuje. – – A teraz tyčový magnet obrátim a priblížim k tomu istému koncu cievky druhý pól. – Arago v úžase pozoroval, ako sa magnet cievku odpudzoval. – Ako keby cievka bola tiež magnetom! – hovoril a spýtavo sa pozeral na Ampéra. – je isté, že ak prechádza cievkou prúd, na jej oboch koncoch vznikajú magnetické siločiary. Arago mierne odtisol Ampéra, aby si mohol sám zopakovať pokus s cievkou. Náhle vzhliadol. – Nemáš kúsok železa, André? Najlepšie kus železnej tyče. – Načo? – – Uvidíš! Rýchle sa poobzeraj, či tu nemáš kus železnej tyče. – – Tu je okrúhly pilník. Tiež je zo železa. – Arago stiahol z pilníka drevenú rúčku, zastrčil ho do cievky a pozhŕňal klinčeky a iné drobné kovové predmety na stole bližšie k cievke a zapojil prúd. Všetky železné predmety odrazu naskákali k prednému alebo zadnému koncu pilníka. Arago prerušil prúd. Železné klinčeky a iné predmety ihneď popadali na stôl. Kedykoľvek Arago zapojil alebo prerušil prúd, vždy sa rovnako prejavila tá istá menlivá hra vznikajúcej a zanikajúcej príťažlivosti. Ampére s rastúcim úžasom pozoroval Aragove pokusy. – Čo..... čo to robíš? – pýtal sa prekvapene. – Umelý magnet, André! ..... – .... – Elektrický magnet, André. Dokonca by sme mohli povedať, že elektromagnet! – – Áno, ale to je úžasné.... – Teraz zasa Ampére opakoval Aragove pokusy. Po chvíli pristúpil k Aragovi. – Máš pravdu, Francois. Železo sa dá elektrickým prúdom zmagnetizovať na ľubovoľne dlhý čas a ako silno chceme. – – Ale len železo, – povedal Arago a vstal.
HANS CHRISTIAN OERSTED ( 14.8. 1777 Rudkjobing v Dánsku – 9.3. 1851 Kodaň)
·
reorganizoval vyučovanie fyziky na dánskych
školách, podľa jeho učebnice „Veda o všeobecných zákonoch prírody“ sa v Dánsku vyučovala fyzika najbližších 50 rokov. ·
Podarilo sa mu objaviť magnetické účinky
elektrického prúdu, a teda aj súvislosť medzi elektrinou a magnetizmom. Súvislosť medzi dvoma skupinami javov, ktoré sa pokladali od čias Gilberta za rôzne. ŽIVOTOPIS: Ako chlapec pomáhal otcovi v lekárni, pričom si obľúbil prírodné vedy, najmä chémiu. Študoval medicínu, ale tiež fyziku, chémiu, astronómiu i filozofiu na univerzite v Kodani a už ako študent sa preslávil prácami z medicíny a dokonca z estetiky. Od roku 1799, kedy dosiahol doktorát lekárstva, pracoval v lekárni a zdarma prednášal na univerzite fyziku a chémiu. Niekoľko rokov venoval cestám po slávnych európskych univerzitách a po návrate vykonal sériu úspešných prednášok z fyziky a chémie, až bol roku 1806 menovaný profesorom týchto disciplín. Od roku 1813 sa zaoberal myšlienkou „skúsiť, či elektrina nepôsobí na magnet“. Povráva sa, že nosil magnet stále pri sebe, aby nezabudol nad čím má premýšľať. Po sérii neúspešných pokusov so zvislými vodičmi v blízkosti magnetky, ktoré urobil na prelome rokov 1819 a 1820, povedal svojmu asistentovi, aby využil silnejšiu batériu a aby vodič orientoval rovnobežne s magnetkou. Až potom sa magnetka vychýlila a po prepólovaní sa vychýlila na opačnú stranu. Legenda, že k objavu došlo náhodne pri prednáške konanej 15.2.1820 po upozornení študentom, asi nie je pravdivá. Oersted publikoval svoj objav 21. júna 1820 vo zvláštnom spise o pôsobení „elektrického konfliktu“ (ako sa prúd nazýval) a rozoslal ho na všetky významné pracoviská sveta.
5
Jednoduchý Oerstedov pokus vyvolal vlnu experimentov a záplavu teórií. Na jeho latinský spis (Experimenta circa effectum conflictis electrici in acum magneticum) ihneď nadviazali hlavne francúzski fyzici Ampere, Biot, Savart a Laplace, ktorí dali popisu interakcie magnetu a prúdu matematickú podobu, z ktorej súčasne odvodili všetky dôsledky. Na základe objavených účinkov prúdu Nemci (Poggendorf v Berlíne a Scheigger v Halle) zostrojili ampérmetre, takže bolo možné merať elektrické veličiny pri prechode prúdu vodičom. Aj D.F.Arago, všestranne nadaný fyzik pomocou Oerstedovho pokusu našiel vysvetlenie magnetických účinkov blesku, ktoré často pozorovali námorníci. Ak je blesk elektrický prúd (Franklin) a má magnetické účinky (Oersted), musí blesk pôsobiť na magnetku, magnetizovať železné predmety a pod. Ako uznanie zásluh dostal H.CH.Oersted k dispozícii zámok (pre najslávnejšieho Dána), zomrel však skôr, než sa do neho nasťahoval. AKTIVITA: PÔSOBÍ VODIČ S PRÚDOM NA MAGNETKU? Pomôcky: magnetka, batéria, vodiče z rôznych kovov, spínač, prekážky z rôznych materiálov, magnetky z rôznych materiálov Postup: nasledujte pokusy, ktoré uskutočnil H.CH.Oersted. Doplňte chýbajúce slová. Do ruky vzal voľne zavesenú magnetku, otáčavú vo vodorovnej rovine. Nad magnetkou umiestnil vodič v rovnakom smere ako ihla. Keď zapojil prúd, magnetka sa vychýlila a zostala v novej polohe, šikmej k smeru vodiča. Pokusy opakoval v rôznych obmenách, nad magnetkou, pod ňou i v rôznych vzdialenostiach a smeroch. Ale Oersted ešte nebol presvedčený o svojom objave. So zdravou pochybovačnosťou bádateľa vyskúšal vodiče z ôsmich rôznych kovov, lenže vychyľovanie magnetky..................................................................(1). Účinok galvanickej elektriny pôsobil na magnetku dokonca aj cez prekážky z kovu, skla, dreva, živice, hliny a kameňa. Napokon vložil magnetku do mosadzného púzdra naplneného vodou, ale účinok zostal nezmenený. Keď však zhotovil magnetky so skla, z mosadze, živice a iných látok, tieto na silu elektrického prúdu .....................(2).
6
ODPOVEDE: 1. prebiehalo takmer pri všetkých rovnako 2. nereagovali NA DOMA: Zmagnetizovanú žiletku získame tak, že za pomoci feritu potierame bežnú žiletku pozdĺž jej osi. Túto potom opatrne položíme na vodnú hladinu. Žiletka pláva vďaka svojej mastnote a tiež vďaka povrchovému napätiu vody. Na hladine sa môže otáčať a po chvíľke zaujme smer sever- juh. (obr. 1)
obr. 1
obr. 2
obr. 3
Nevedno, ako by sa Oerstedovi pozdával "jeho“ pokus v našom domácom žiletkovom prevedení, o ktorom bude teraz reč. Isté je však, že v tých časoch ešte žiletky nejestvovali. Pri experimente vedieme nad žiletkou- magnetkou vodič v smere sever- juh a do neho zapojíme prúd, ktorý privádzame z obyčajnej 4,5 V batérie. (obr. 2) Po zapnutí prúdu sa magnetka vychýli. Výchylka závisí od polarity a od veľkosti prúdu, ale aj od vzdialenosti magnetky od vodiča. Bežná 4,5 V batéria môže krátkodobo poskytnúť maximálny prúd asi 5 A. Ak máte doma klasickú magnetku, potom sa zaobídete aj bez žiletky, lebo máte možnosť vykonať si viac-menej originálny Oerstedov experiment s magnetkou tak, ako ho vidíme na obr. 3
7
JAMES CLERK MAXWELL (13.6.1831 Edinburgh – 5.11. 1879 Glenlair) ·
Autor teórie elektromagnetického
poľa ·
vystihol podstatu, význam
a dosah Faradayových objavov ·
patrí medzi zakladateľov
kinetickej teórie plynov (Maxwellovo rozdelenie) ·
organizátor vedy- založil
Cavendishovo laboratórium na univerzite v Cambridge ·
patrí medzi tri najvýraznejšie
postavy svetovej fyziky- spája Isaca Newtona, tvorcu klasickej fyziky a A. Einsteina, zakladateľa fyziky 20.stor. ŽIVOTOPIS: ·
narodil sa 13.6.1831 v škótskom Edinburgu
·
Otec i syn boli rovnako málovravní, skromní, prostí, dobrosrdeční a žičliví.
·
Až do 10 rokov nedostal Maxwell mladší systematické vzdelanie. Zdrojom
jeho poznatkov bolo čítanie všetkého, čo bolo doma, hodiny astronómie s otcom na priedomí, rozmanité hry a život s otcom zaľúbeným do vedy. ·
Keďže domáci učiteľ pochopil, že vzal na seba nesplniteľnú úlohu učiť 11-
ročného Maxwella, ktorý už
mal rozsiahle znalosti,
otec ho zapísal na
Edinburskú akadémiu. V prvých rokoch nepatril medzi najlepších študentov, lebo nevidel zmysel v učení sa predmetov, ktoré ho nezaujímali. Prelom prišiel na konci tretieho ročníka, keď zostrojil z lepenky štvorboký ihlan, kocku, štvorsten a ďalšie pravidelné mnohouholníky napriek tomu, že v škole ešte nepreberali geometriu. Pocítil, že poznanie môže priniesť človeku radosť a potešenie. Stal sa jedným z najlepších žiakov akadémie.
8
·
Prvý úspech: po týždňoch a mesiacoch hľadania našiel mladý Maxwell
spôsob ako konštruovať obrazce s veľkým počtom ohnísk- do ohnísk zapichol špendlíky a nitka určitej dĺžky zabezpečovala konštantný súčet vzdialenosti bodu k obom ohniskám. Tento návrh priniesli profesorovi davidovi Frobesovi a ten ho predniesol Edinburgskej kráľovskej spoločnosti, kvôli malému veku Maxwell, ktorý mal 14 rokov. ·
Po ukončení akadémie otec zapísal Maxwella juniora na Edinburgskú
univerzitu. Tri roky štúdia, boli plné prednášok a množstva literatúry, ktorú James popritom prečítal. Držal sa zásady, že vždy treba študovať originály. Iba v nich možno poznať ako myšlienka vznikla a vyvíjala sa. Všetko, čo sa dalo experimentálne preveriť, preveril. ·
James Maxwell sa venoval aj samostatnému bádaniu. Našiel novú
metódu,
fotoelasticimetriu,
skúmanie
napätia
v telesách
pomocou
polarizovaného svetla. Pri prechode cez prostredie s rôznou pružnosťou sa svetlo rozkladá na dva lúče, pričom jeden prechádza v smere menšej, druhý zasa v smere väčšej pružnosti. Pomocou dráh lúčov možno určiť pružnosť prostredia. Impulzom k tomuto bádaniu bola návšteva u vynikajúceho škótskeho fyzika Wiliama Nicola, ktorého prednáška Jamesa veľmi zaujala. Ako 19- ročný predniesol prácu „Rovnováha pružných telies“, kde predložil riešenie 14 úloh z oblasti odporu materiálu. Pomocou polarizovaného svetla vyriešil úlohy, ktoré sa kvôli matematickým problémom pokladali za neriešiteľné. ·
Maxwell študoval v Cambridgei na Peterhouse, po prvom semestri
prestúpil na Trinity Colege. Počas štúdia nepublikoval ani jediný článok, dospel však ako človek i vedec. V januári 1854 zložil záverečnú skúšku a stal sa druhým najlepším kandidátom. ·
Začal prednášať hydrauliku a optiku, píše knihu o optike- má málo času,
ale začína sa venovať teórii farebného videnia. Po presných pokusoch prišiel k záveru, že každá farba, aj biela, sa dá získať z troch základných: červenej, modrej a zelenej. ·
V roku 1854 začal študovať problémy elektriny a magnetizmu, čítal práce
André- Maria Ampéra, len ho odpudzovala myšlienka pôsobenia na diaľku. Preto sa sústredil na práce Michaela Faradaya, aj napriek tomu, že proti
9
Faradayovej predstave o elektrickej a magnetickej interakcii prostredníctvom siločiar boli všetci významní francúzski a nemeckí vedci. Maxwell hľadal matematický opis faradayovej fyziky. Ako napísal otcovi v roku 1855 : „Usporadúvam si svoju elektrickú matematiku a teraz sú mi jasné veci, ktoré som predtým videl iba hmlisto. Žiaľ nemám dosť času venovať sa týmto problémom, lebo veľa čítam o teple a kvapalinách, aby som nehlásal na prednáškach bludy...“ ·
Stal
sa
členom rady
Trinity
Colege
a to
znamenalo prednášať
najnáročnejšie partie z hydrostatiky pre najnadanejších študentov, pripravovať študentov na skúšky z aritmetiky a algebry. Podľa obyčaje sa musel zaviazať, že navždy zostane starým mládencom. ·
Napriek pracovnému zaťaženiu sa venoval budovaniu teórie elektriny
a magnetizmu. Zvolil metódu analógie s hydrodynamikou, siločiary sa podobali na prúdenie kvapaliny v trubiciach, teória trubíc bola dobre rozpracovaná a aj Georg Ohm používal na vysvetlenie elektrického prúdu analógiu s hydrodynamikou. Až na elektromagnetickú indukciu sa Maxwellovi podarilo opísať elektrostatické a magnetostatické javy i elektrický prúd. ·
Ako 25- ročný sa stal profesorom naturálnej filozofie na Marishall College
v Aberdeene a člen Edinburskej kráľovskej spoločnosti, v roku 1856 mu zomrel otec, v roku 1858 sa oženil s Kathrin Mary Dewarovou, dcérou rektora Marishall College. Práve roky pôsobenia v Aberdeene patria medzi najplodnejšie roky Maxwellovho života. V roku 1857 dokončil prácu „O Faradayových siločiarach“ a napísal prvý článok o kinetickej teórii plynov. O jeho prednášky nebol veľký záujem, lebo pristupoval k žiakom ako k rovnocenným kolegom. O štýle vyučovania napísal: „Prednáška v čistej forme vyvoláva v pasívnych ľuďoch pasivitu a u ľudí so skostnateným myslením zasa debatu a posielanie lístkov. V utorok nadiktujem študentom 10 otázok s možnosťou stručnej odpovede, v piatok im vysvetlím chyby, ktorých sa dopustili a uverejním zoznam, koľko správnych odpovedí mal každý z nich.“ ·
V roku 1860 sa Maxwell stal profesorom naturálnej filozofie na Kings
College v Londýne.
10
·
17.5.1861 na zasadaní kráľovskej spoločnosti predviedol Maxwell prvú
farebnú fotografiu v dejinách, bol to triumf trojzložkovej teórie, aj keď o 100 rokov neskôr sa zistilo, že to bolo trocha inak. ·
Opäť sa venoval kinetickej teórii plynov. Pohyb molekúl opísal opäť
pomocou analógie s mechanickým pohybom pružných gúľ. Novou myšlienkou bolo zavedenie pojmu pravdepodobnosti a využitie štatistických metód v kinetickej teórii plynov. Odvodil zákon rozdelenia molekúl podľa rýchlostí, tzv. Maxwellovo rozdelenie. Ako prvý sa zaoberal prenosovými javmivedením tepla, difúziou a vnútorným trením. HLAVNÝ PRÍNOS: ·
V syntetickom diele Pojednanie o elektrine a magnetizme vychádza
z prác
svojich
predchodcov.
Spomína
Oerstedov
pokus,
Ampérové
experimenty, Faradayove pokusy, Faradayov objav elektromagnetickej indukcie. ·
V októbri 1861 objavil totožnosť dvoch veličín: rýchlosti svetla a pomeru
medzi elektrostatickou a elektromagnetickou jednotkou elektriny. Tieto myšlienky tvorili podstatu článku: O fyzikálnych siločiarach. ·
Zaviedol pojem posuvný prúd, ktorý sa objavil ako dodatkový člen
v pôvodnej prvej Maxwellovej rovnici. ·
Vďaka mechanickej analógii prišiel na to, že: „svetlo je tvorené priečnymi
kmitmi toho istého prostredia, ktoré je príčinou elektrických a magnetických javov. ·
V roku
1864
uverejnil
tretiu
prácu
Dynamická
teória
elektromagnetického poľa, v ktorej už nepoužíva mechanické modely, ale za základ berie pojem elektromagnetické pole. Charakterizuje ho ako: „časť priestoru, ktorá obklopuje a v sebe obsahuje telesá, nachádzajúce sa v elektrickom alebo magnetickom stave.“ Tu tiež spomína myšlienku, že elektrické napätie sa nemusí indukovať iba vo vodiči, ale aj v ľubovoľnej vodivej slučke. Tiež tu odvodil vlnové rovnice pre magnetickú indukciu a vzťah pre rýchlosť šírenia rovinnej vlny v závislosti od permeability a permitivity prostredia.
11
·
V roku 1865 opúšťa rušný Londýn a sťahuje sa na pokojné panstvo
v Glenlair. Chcel napísať najzávažnejšie knihy svojho života: Teóriu tepla a Pojednanie o elektrine a magnetizme. ·
V roku 1871 prijal ponuku, aby sa stal profesorom na novozriadenej
katedre experimentálnej fyziky v Cambridgei. Mohol tam robiť pokusy s najmodernejšou technikou. Po troch rokoch usilovnej práce tu vybudoval Cavendishovo laboratórium. Predtým sa bol pozrieť na laboratória lorda Thomsona, i laboratória iného významného fyzika Strata. ·
Posledné
roky
života
strávil
spracovaním
pozostalosti
Henryho
Cavendisha ·
V roku 1877, ako 46 ročný, začal mať Maxwell problémy so žalúdkom.
Uzatváral sa do seba, keďže práve pracoval na knihe nevolal lekárov na pomoc. Až po dvoch rokoch sa obrátil na rodinného lekára a ten pochopil, že ide o príznaky rakoviny brušnej dutiny, chorobu na ktorú zomrela krátko po štyridsiatke jeho matka. Napriek chorobe dokončil prednášky, a presťahoval sa do Glenlair. V Septembri dostal prudký záchvat a lekár mu musel oznámiť, že mu zostáva asi 1 mesiac života. Zomrel 5.11. 1879. AKTIVITA Pomôcky: uvedený článok o J.C. Maxwellovi, prípadne iné zdroje Postup: J. C. Maxwell je úžasný príklad ako treba študovať a vedecky pracovať. Po preštudovaní daného textu odpovedzte na nasledujúce otázky. Vopred upozorníme žiakov, že sa majú zamerať na štýl štúdia a vedeckej práce Maxwella nie na fyzikálne pojmy. 1. Až do 10 rokov nedostal Maxwell mladší systematické vzdelanie. Odkiaľ získal vzdelanie? 2. V prvých rokoch štúdia na Edinburskej akadémii nepatril Maxwell medzi najlepších študentov, lebo nevidel zmysel v učení sa predmetov, ktoré ho nezaujímali. Kedy nastal prelom? 3. Aký bol prvý úspech J. C. Maxwella?
12
4. Doplň: Maxwell sa držal zásady, že vždy treba .............. ................ Iba v nich možno poznať ako ....................... ...................... a vyvíjala sa. Všetko, čo sa dalo .................................... .........................., preveril. 5. James Maxwell sa venoval aj samostatnému bádaniu. Našiel novú metódu,
fotoelasticimetriu,
skúmanie
napätia
v telesách
pomocou
polarizovaného svetla. Pri prechode cez prostredie s rôznou pružnosťou sa svetlo rozkladá na dva lúče, pričom jeden prechádza v smere menšej, druhý zasa v smere väčšej pružnosti. Čo bolo impulzom k tomuto bádaniu? 6. V roku 1854 začal študovať problémy elektriny a magnetizmu, čítal práce André- Maria Ampéra, len ho odpudzovala myšlienka pôsobenia na diaľku. Preto sa sústredil na práce ktorého vedca, aj napriek tomu, že proti jeho predstave o elektrickej a magnetickej interakcii prostredníctvom siločiar boli všetci významní francúzski a nemeckí vedci. 7. Ako napísal otcovi v roku 1855 : „Usporadúvam si svoju elektrickú matematiku a teraz sú mi jasné veci, ktoré som predtým videl iba hmlisto. Žiaľ nemám dosť času venovať sa týmto problémom, lebo ... Prečo nevenoval dostatok času tomuto výskumu a veľa čítal aj o teple a kvapalinách? 8. Až na elektromagnetickú indukciu sa Maxwellovi podarilo opísať elektrostatické a magnetostatické javy i elektrický prúd. Akú analógiu používal pre opis elektrického prúdu, podobne ako Georhe Ohm? 9. O štýle
vyučovania
napísal:
„Prednáška
v čistej
forme
vyvoláva
v pasívnych ľuďoch pasivitu a u ľudí so skostnateným myslením zasa debatu a posielanie lístkov.“ Akým štýlom prednášal on? 10. V roku 1871 prijal ponuku, aby sa stal profesorom na novozriadenej katedre experimentálnej fyziky v Cambridgei. Čo ho k tomu viedlo? Čo tam vybudoval?
ODPOVEDE
13
1. Zdrojom jeho poznatkov bolo čítanie všetkého, čo bolo doma, hodiny astronómie s otcom na priedomí, rozmanité hry a život s otcom zaľúbeným do vedy. 2. Prelom prišiel na konci tretieho ročníka, keď zostrojil z lepenky štvorboký ihlan, kocku, štvorsten a ďalšie pravidelné mnohouholníky napriek tomu, že v škole ešte nepreberali geometriu. Pocítil, že poznanie môže priniesť človeku radosť a potešenie. Stal sa jedným z najlepších žiakov akadémie. 3. Prvý úspech: po týždňoch a mesiacoch hľadania našiel mladý Maxwell spôsob ako konštruovať obrazce s veľkým počtom ohnísk- do ohnísk zapichol špendlíky a nitka určitej dĺžky zabezpečovala konštantný súčet vzdialenosti bodu k obom ohniskám. 4. študovať originály, myšlienka vznikla, experimentálne preveriť 5. Impulzom k tomuto bádaniu bola návšteva u vynikajúceho škótskeho fyzika Wiliama Nicola, ktorého prednáška Jamesa veľmi zaujala 6. M. Faraday 7. veľa čítam o teple a kvapalinách, aby som nehlásal na prednáškach bludy...“ 8. Zvolil metódu analógie s hydrodynamikou, siločiary sa podobali na prúdenie kvapaliny v trubiciach, teória trubíc bola dobre rozpracovaná a aj Georg Ohm používal na vysvetlenie elektrického prúdu analógiu s hydrodynamikou. 9. V utorok nadiktujem študentom 10 otázok s možnosťou stručnej odpovede, v piatok im vysvetlím chyby, ktorých sa dopustili a uverejním zoznam, koľko správnych odpovedí mal každý z nich.“ 10. Mohol tam robiť pokusy s najmodernejšou technikou. Po troch rokoch usilovnej práce tu vybudoval Cavendishovo laboratórium. Predtým sa bol pozrieť na laboratória lorda Thomsona, i laboratória iného významného fyzika
Strata
14
MICHAEL FARADAY (22. 9. 1791 Londýn – 25. 8. 1867 Glenlair) ·
objaviteľ javu elektromagnetickej
indukcie 17.10 1831 ·
je považovaný za najlepšieho
experimentátora všetkých čias ·
do fyziky zaviedol pojem „pole“
·
priestor okolo magnetu si predstavil ako
priestor vyplnený indukčnými čiarami ·
pomohol vybudovať teóriu, že svetlo je
elektromagnetické vlnenie ·
vyslovil 2 zákony elektrolýzy
ŽIVOTOPIS: ·
narodil sa 22. 9. 1791 v južnom predmestí Londýna ako tretie dieťa, otec bol
kováčom, zomrel keď mal Michael 9 rokov ·
Skromné hmotné prostriedky rodiny umožnili Faradayovi získať len základné
vzdelanie v miestnej farskej škole, pritom nevykazoval žiadne zvláštne nadanie. ·
ako 13- ročný sa stal roznášačom novín u londýnskeho kníhkupca Georga
Ribeaua. Zoznámil sa s množstvom významných diel vedcov a filozofov 18. stor., vo dne sa ich učil viazať a po nociach ich dychtivo čítal. Naviac, v dielni začal robiť prvé pokusy s trecou elektrikou, leidenskou fľašou a iné. Viedol si zápisy do denníka, ktorý potom vlastnoručne zviazal. ·
Ribeau mu zabezpečil lístky na cyklus prednášok významného anglického vedca
tej doby, sira Humpryho Davyho, ktoré sa konali v londýnskej Royal Institution. ·
dňa 1.3.1813 bol menovaný asistentom laboratória v Royal Institution, aby „čistil
fľaše a skúmavky“, ako bolo napísané v pracovnej zmluve. Asistoval Davymu pri pokusoch a pomáhal pripravovať prednášky novému profesorovi chémie Brandeovi.
15
·
Davy
ho
vzal
na
18
mesačnú vedeckú cestu po Európe od 13.10. 1813 do 17.4.1815.
Precestovali
Francúzsko,
Švajčiarsko,
Taliansko, Nemecko, Belgicko, navštívili Institution
zakladateľa lorda
Royal
Rumforda,
André Marie Ampéra, ktorý prednášal na Sorboni, Josepha Gay- Lussaca, Alexandra Voltu, ktorý konštruoval galvanické články. Počas cesty Davy predvádzal pokusy a Faraday asistoval, napr. v Paríži dostal od Ampéra neznámu látku z morských chalúh a Davy v nej identifikoval nový prvok- jód. ·
experiment, ilustrácie, obrázky, tabuľky považoval za základ prednášky, platili
o ňom slová Willianma Arthura Warda: „Priemerný učiteľ hovorí, dobrý učiteľ vysvetľuje, vynikajúci učiteľ demonštruje, veľký učiteľ inšpiruje.“ ·
po celý život zostal skromný, nemal rád okázalosti a nemal ani záujem na
komerčnom využití svojich objavov, odmietol výnosné funkcie aj funkciu prezidenta Royal Society v roku 1857. ·
po 50 rokoch aktívnej činnosti zomrel 25. 8. 1867 vo veku 76 rokov, pohreb sa
konal s najvyššími poctami vo Westministerskom opátstve AKTIVITA: „Zostrojte si vlastný elektromotor.“ Z drôtu spravíme obdĺžnikovú cievku (asi 4 krát 2 cm) tak, aby začiatok a koniec tvorili jej „samonosnú“ os. Jeden koniec „osky“ odizolujeme, z druhého odstránime izoláciu len čiastočne. Póly batérie upravíme tak, aby sme vytvorili ložiská pre samonosnú cievku (rotor). Do blízkosti položíme magnet, cievka sa nachádza v jeho magnetickom poli. Ak položíme cievku do ložísk tak, aby ňou prechádzal prúd, pôsobí na ňu dvojica síl, ktorá má otáčavý účinok. Pootočením sa stratí kontakt v jednom ložisku a cievka sa ďalej otáča len zotrvačnosťou do okamihu, keď sa kontakt obnoví a všetko sa opakuje. Pri
16
troške
šikovnosti
takto
realizujeme
jednoduchý
demonštračný
elektromotor.
Približovaním magnetu môžeme dokonca meniť jeho otáčky. Môžeme použiť ihlicu na pletenie, aby sa elektromotor ľahšie otáčal (obr. 1), alebo mierne narezať póly batérie (obr. 2)
Obr. 1
Obr. 2
VYSVETLENIE: Ak sa priamy vodič dĺžky l nachádza v magnetickom poli indukcie B tak, že smeruje kolmo na indukčné čiary a prechádza ním prúd I, pôsobí naň sila o veľkosti F = IlB Jej smer určuje Flemingovo pravidlo ľavej ruky (známe na SŠ). Na obdĺžnikový závit (resp. cievku s n závitmi) pôsobia sily ako je to naznačené na obrázku. Sily F+ a F- neležia na jednej vektorovej priamke a tvoria dvojicu síl s otáčavým účinkom.
17
18
Thomas Alva Edison (11.2.1847, Ohio- 18.10.1931, New Jersey) ·
vynašiel žiarovku
·
za svojho života podal až 1300
patentov ·
začal s dodávaním elektrickej
energie do domácností
ŽIVOTOPIS: ·
narodil sa 11.2.1847 v štáte Ohio, USA
·
keď zachránil život dieťaťu, ktoré spadlo pod vlak, otec dieťaťa, prednosta
stanice, mu umožnil vyučiť sa za telegrafistu. 1868- presťahoval sa do New Yorku, kde sa preslávil zlepšeniami v telegrafii 1876- zdokonalil miktrofón 1878- vynašiel fonograf (z ktorého sa neskôr vyvinul gramofón) 1879- vynašiel elektrickú žiarovku a uhlíkovým vláknom 1882- skonštruoval dynamo a v New Yorku spustil prvú elektráreň na svete 1889- zostrojil prvý filmovací aparát 1895- zostrojil aparatúru na premietanie filmov ·
navrhol používanie betónu v stavebníctve
·
Edisonov jav- prvý pozoroval termoelektrickú emisiu
·
Zomrel 18.10.1931 v štáte New Jersey, USA. O tom, že aj konflikty prispievajú k tvoreniu dejín ľudstva a dejín fyziky,
svedčí rozhodovanie
sa
medzi
jednosmerným
a striedavým
prúdom.
Jednosmerný prúd sa nedá transformovať, preto sa musí rozvádzať pri nízkom napätí a veľkom prúde. Pritom vznikajú veľké straty. Na začiatku veku
19
elektriny, koncom 19. stor., boli mnohí ľudia zástancami jednosmerného prúdu, medzi nimi aj Edison. Stranu striedavého prúdu viedol Westinghouse a Nikola Tesla. Každý chcel získať zákazníkov pre svoje výrobky- Edison pre dynamo a Westinghouse pre alternátory a transformátory. Edison sa pokúšal reklamnými trikmi presvedčiť verejnosť, že striedavý prúd je nebezpečnejší. Vyzval Westinghausa na súboj, kto vydrží väčší prúd, ktorý nechá prechádzať svojím telom. Westinghouse však na tento súboj nepristúpil. Edison v roku 1887 navrhol zákon, aby zločincov v New Yorku popravovali striedavým prúdom na elektrickom kresle. Dúfal, že ľudia budú potom podvedome spájať striedavý prúd so smrťou. Napriek snahám Edison neuspel, a keď sa v roku 1892 rozhodovalo o tom, kto postaví elektráreň na Niagarských vodopádoch, Westinghouse bez problémov vyhral. AKTIVITA: Ako pomocou elektriny rozžeravíme drôt? Postavte drevený stojan skladajúci sa z podstavca s rozmermi približne 15x 15 cm a dvoch zvislých nosníkov asi 20 cm vysokých. Do hornej časti každého nosníka zaskrutkujte skrutku asi do polovice dĺžky. Špirálu zhotovíme tak, že na ceruzku navinieme do jednej vrstvy 1,5 m dlhý oceľový drôt s priemerom 0,3 až 0,6 mm. Stiahnite špirálu z ceruzky a roztiahnite ju tak, aby siahal od jedného konca špirály na druhý. Konce špirály omotajte okolo skrutiek, aby bola špirála dobre zavesená. Zapojte ju do série s reostatom a pripojte ku zdroju napätia najviac 24V. Pred zatvorením obvodu sa presvedčite, že reostat je nastavený na najväčší odpor. Potom postupne znižujte odpor a pozorujte, ako sa drôt ohrieva až do červenej žiary. Priblížte sa ku špirále rukou. Dotknite sa jej kúskom papiera alebo drevenou trieskou a nechajte ju vznietiť. Zväčšujte prúd, až sa drôt prepáli. Miesto oceľového drôtu možno použiť chróm- niklový alebo iný odporový drôt. Môžete ich zohriať na vyššiu teplotu? Ako sa dá zostrojiť elektrický varič?
20
21
