Номер 3, страница 180, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

3. Что подтолкнуло Максвелла к идее, что свет является электромагнитной волной?

3. Джеймса Клерка Максвелла подтолкнуло к идее, что свет является электромагнитной волной, поразительное совпадение теоретически вычисленной им скорости распространения электромагнитных волн со скоростью света, измеренной экспериментально к тому времени.

В середине XIX века Максвелл работал над созданием единой теории, описывающей электрические и магнитные явления. Он обобщил известные на тот момент законы (закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции Фарадея) в виде системы из четырех дифференциальных уравнений. Из этих уравнений, известных сегодня как уравнения Максвелла, следовал фундаментальный вывод: переменное во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле, а переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает вихревое электрическое поле. Этот процесс взаимного порождения полей приводит к их распространению в пространстве в виде электромагнитной волны.

Самым важным следствием его теории стало получение формулы для скорости распространения этих гипотетических волн в вакууме. Оказалось, что эта скорость $\text{c}$ зависит только от двух фундаментальных констант, характеризующих электрические и магнитные свойства вакуума: электрической постоянной $\epsilon_0$ и магнитной постоянной $\mu_0$.

Дано:

Электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума): $\epsilon_0 \approx 8,854 \cdot 10^{-12} \text{ Ф/м}$

Магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума): $\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ Гн/м}$

Найти:

$\text{c}$ - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

Решение:

Из уравнений Максвелла следует, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме вычисляется по формуле:

$c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$

Подставим значения констант, которые были известны во времена Максвелла из электростатических и магнитостатических экспериментов:

$c = \frac{1}{\sqrt{(8,854 \cdot 10^{-12} \text{ Ф/м}) \cdot (4\pi \cdot 10^{-7} \text{ Гн/м})}} \approx 2,9979 \cdot 10^8 \text{ м/с}$

Полученное Максвеллом значение скорости электромагнитных волн ($ \approx 3 \cdot 10^8 \text{ м/с}$) оказалось практически равным скорости света. К тому времени скорость света уже была достаточно точно измерена несколькими независимыми способами. Например, в опытах французского физика Ипполита Физо (1849 г.) было получено значение $ \approx 3,13 \cdot 10^8 \text{ м/с}$, а в более точных экспериментах Леона Фуко (1862 г.) — $ \approx 2,98 \cdot 10^8 \text{ м/с}$.

Это поразительное совпадение теоретического результата, полученного из законов электромагнетизма, с экспериментально измеренной скоростью света не могло быть случайным. На основании этого Максвелл выдвинул гениальную гипотезу: свет по своей природе является электромагнитной волной.

Ответ: Ключевым фактором, который подтолкнул Максвелла к идее об электромагнитной природе света, стало практически полное совпадение теоретически рассчитанной им скорости распространения электромагнитных волн ($c = 1/\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}$) с экспериментально измеренной на тот момент скоростью света.