Physik

Physik - Elektrizität und Magnetismus

Strom und Magnetismus

Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts zeigten Untersuchungen zu Elektrizität und Magnetismus mehr den hypothetischen und spontanen Charakter von Newtons Opticks als den axiomatischen und etwas abscheulichen Ton seiner Principia . Anfang des Jahrhunderts in EnglandStephen Gray und in FrankreichCharles François de Cisternay DuFay untersuchte die direkte und induzierte Elektrifizierung verschiedener Substanzen durch die beiden Arten von Elektrizität (damals als glasartig und harzig bezeichnet und heute als positiv und negativ bekannt) sowie die Fähigkeit dieser Substanzen, das „Effluvium“ von zu leiten Elektrizität. Um die Mitte des Jahrhunderts brachten die Verwendung von Leyden-Gläsern (zum Sammeln von Ladungen ) und die Entwicklung großer statischer Elektrizitätsmaschinen die experimentelle Wissenschaft in den Salon, während die theoretischen Aspekte in verschiedenen Formen der Single-Fluid-Theorie gegossen wurden ( unter anderem von dem Amerikaner Benjamin Franklin und dem in Deutschland geborenen Physiker Franz Aepinus ) und der Zwei-Fluid-Theorie.

Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts in England, Joseph Priestley hatte festgestellt, dass in einem elektrifizierten hohlen Metallbehälter kein elektrischer Effekt vorhanden war, und aus dieser Ähnlichkeit auf brillante Weise geschlossen, dass das Gesetz des umgekehrten Quadrats (der Schwerkraft) auch für Elektrizität gelten muss. In einer Reihe von akribischen Memoiren der französische PhysikerCharles-Augustin de Coulomb unter Verwendung einer Torsionswaage , die Henry Cavendish in England verwendet hatteZur Messung der Gravitationskraft wurde die inverse Quadratbeziehung für elektrische und magnetische Anziehungskräfte und Abstoßungen demonstriert. Coulomb wandte dieses Gesetz an, um die Oberflächenverteilung der elektrischen Flüssigkeit so grundlegend zu berechnen , dass sie die Grundlage für die Erweiterungen von Poisson und Lord Kelvin im 19. Jahrhundert bildete .

Die Entdeckungen von Luigi Galvani und Alessandro Volta eröffneten für das 19. Jahrhundert völlig neue Untersuchungsgebiete, indem Volta die erste Batterie entwickelte , den Voltaic Pile, der eine bequeme Quelle für anhaltenden elektrischen Strom darstellte . Dänischer PhysikerDie Entdeckung des magnetischen Effekts eines elektrischen Stroms durch Hans Christian Ørsted im Jahr 1820 führte fast sofort zu quantitativen Gesetzen vonElektromagnetismus undElektrodynamik . Bis 1827André-Marie Ampère hatte eine Reihe mathematischer und experimenteller Memoiren zu seiner elektrodynamischen Theorie veröffentlicht, die nicht nur den Elektromagnetismus verständlich machten, sondern auch den gewöhnlichen Magnetismus, wobei beide als Ergebnis elektrischer Ströme identifiziert wurden. Ampère hat seine Elektrodynamik fest etabliert, indem er sie auf inversen quadratischen Kräften (die jedoch eher rechtwinklig als in der Linie, die die beiden wechselwirkenden Elemente verbindet, ausgerichtet sind) und durch den Nachweis, dass die Effekte nicht gegen Newtons drittes Gesetz von verstoßen Bewegung , ungeachtet ihrer Querrichtung.

Michael Faradays Entdeckung im Jahre 1831 vonelektromagnetische Induktion (die Umkehrung des von Ørsted entdeckten Effekts), seine experimentelle Bestimmung der Identität der verschiedenen Formen der Elektrizität (1833), seine Entdeckung der Rotation der Polarisationsebene des Lichts durch Magnetismus (1845) zusätzlich zu bestimmte Erkenntnisse anderer Forscher - z. B. die Entdeckung des mechanischen Äquivalents von Wärme ( Energieeinsparung ) durch James Prescott Joule im Jahr 1843 (und andere)) - alle dienten dazu, die wesentliche Einheit der Naturkräfte zu betonen. Innerhalb der Elektrizität und des Magnetismus wurden Versuche zur theoretischen Vereinigung entweder als Gravitationskräfte konzipiert, die in der Ferne wirken, wie bei Ampère, oder bei Faraday als Kraftlinien und das Umgebungsmedium, in dem sie sich bewegen sollten. Die deutschen PhysikerUm die Koeffizienten in seiner Theorie der ersteren Art zu bestimmen, haben Wilhelm Eduard Weber und Rudolf Kohlrausch das Verhältnis der elektromagnetischen und elektrostatischen Einheiten der elektrischen Ladung gleich der Lichtgeschwindigkeit gemessen .

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell entwickelte ab 1855 seine tiefgreifende mathematische elektromagnetische Theorie. Er schöpfte seine Vorstellungen aus Faraday und stützte sich daher grundlegend auf den Äther, den die optische Theorie benötigt, während er geniale mechanische Modelle verwendete. Eine Folge der Maxwell'schen mature Theorie war , dass eine elektromagnetische Welle muss propagiert durch den Ether mit einer Geschwindigkeit gleich dem Verhältnis der elektromagnetischen zur elektrostatischen Einheiten. In Kombination mit den früheren Ergebnissen von Weber und Kohlrausch implizierte dieses Ergebnis, dass Licht ein elektromagnetisches Phänomen ist. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, dass elektromagnetische Wellen mit anderen Wellenlängen als dem schmalen Band entsprechenInfrarot , sichtbares Licht und Ultraviolett sollten in der Natur vorhanden sein oder könnten künstlich erzeugt werden.

Maxwells Theorie wurde 1886 direkt bestätigt, als Heinrich Hertz aus Deutschland erzeugte solche elektromagnetischen Wellen. Ihre Verwendung in der Fernkommunikation - „ Radio “ - folgte innerhalb von zwei Jahrzehnten, und nach und nach lernten die Physiker das gesamte elektromagnetische Spektrum kennen .

Chemie

Eighteenth-century chemistry was derived from and remained involved with questions of mechanics, light, and heat, as well as with notions of medical therapy and the interaction between substances and the formation of new substances. Chemistry took many of its problems and much of its viewpoint from the Opticks and especially the “Queries” with which that work ends. Newton’s suggestion of a hierarchy of clusters of unalterable particles formed by virtue of the specific attractions of its component particles led directly to comparative studies of interactions and thus to the tables of affinities of the physician Herman Boerhaave und andere zu Beginn des Jahrhunderts. Diese Arbeit gipfelte Ende des Jahrhunderts im SchwedenTorbern Bergmans Tabelle, die quantitative Werte der Affinität von Substanzen sowohl für Reaktionen im trockenen Zustand als auch in Lösung lieferte und sowohl doppelte als auch einfache Affinitäten berücksichtigte.

Untersuchungen von "Luft" im 17. Jahrhundert oder Gase , Verbrennung und Kalzinierung sowie Art und Rolle des Feuers wurden von den Chemikern berücksichtigtJohann Joachim Becher undGeorg Ernst Stahl aus Schweden in eine Theorie vonphlogiston. According to this theory, which was most influential after the middle of the 18th century, the fiery principle, phlogiston, was released into the air in the processes of combustion, calcination, and respiration. The theory explained that air was simply the receptacle for phlogiston, and any combustible or calcinable substance contained phlogiston as a principle or element and thus could not itself be elemental. Iron, in rusting, was considered to lose its compound nature and to assume its elemental state as the calx of iron by yielding its phlogiston into the ambient air.

Investigations that isolated and identified various gases in the second half of the 18th century, most notably the English chemist Joseph Black’s quantitative manipulations of “fixed air” (carbon dioxide) and Joseph Priestley’s discovery of “dephlogisticated air” (oxygen), were instrumental for the French chemist Antoine Lavoisier’s formulation of his own oxygen theory of combustion and rejection of the phlogiston theory (i.e., he explained combustion not as the result of the liberation of phlogiston, but rather as the result of the combination of the burning substance with oxygen). This transformation coupled with the reform in nomenclature at the end of the century (due to Lavoisier and others)—a reform that reflected the new conceptions of chemical elements, compounds, and processes—constituted the revolution in chemistry.

Very early in the 19th century, another study of gases, this time in the form of a persisting Newtonian approach to certain meteorological problems by the British chemist John Dalton, led to the enunciation of a chemical atomic theory. From this theory, which was demonstrated to agree with the law of definite proportions and from which the law of multiple proportions was derived, Dalton was able to calculate definite atomic weights by assuming the simplest possible ratio for the numbers of combining atoms. For example, knowing from experiment that the ratio of the combining weights of hydrogen to oxygen in the formation of water is 1 to 8 and by assuming that one atom of hydrogen combined with one atom of oxygen, Dalton affirmed that the atomic weight of oxygen was eight, based on hydrogen as one. At the same time, however, in France, Joseph-Louis Gay-Lussac, from his volumetric investigations of combining gases, determined that two volumes of hydrogen combined with one of oxygen to produce water. While this suggested H2O rather than Dalton’s HO as the formula for water, with the result that the atomic weight of oxygen becomes 16, it did involve certain inconsistencies with Dalton’s theory.

As early as 1811 the Italian physicist Amedeo Avogadro was able to reconcile Dalton’s atomic theory with Gay-Lussac’s volumetric law by postulating that Dalton’s atoms were indeed compound atoms, or polyatomic. For a number of reasons, one of which involved the recent successes of electrochemistry, Avogadro’s hypothesis was not accepted until it was reintroduced by the Italian chemist Stanislao Cannizzaro half a century later. From the turn of the century, the English scientist Humphry Davy and many others had employed the strong electric currents of voltaic piles for the analysis of compound substances and the discovery of new elements. From these results, it appeared obvious that chemical forces were essentially electrical in nature and that two hydrogen atoms, for example, having the same electrical charge, would repel each other and could not join to form the polyatomic molecule required by Avogadro’s hypothesis. Until the development of a quantum-mechanical theory of the chemical bond, beginning in the 1920s, bonding was described by empiricalvalence” rules but could not be satisfactorily explained in terms of purely electrical forces.

Between the presentation of Avogadro’s hypothesis in 1811 and its general acceptance soon after 1860, several experimental techniques and theoretical laws were used by various investigators to yield different but self-consistent schemes of chemical formulas and atomic weights. After its acceptance, these schemes became unified. Within a few years of the development of another powerful technique, spectrum analysis, by the German physicists Gustav Kirchhoff and Robert Bunsen in 1859, the number of chemical elements whose atomic weights and other properties were known had approximately doubled since the time of Avogadro’s announcement. By relying fundamentally but not slavishly upon the determined atomic weight values and by using his chemical insight and intuition, the Russian chemist Dmitry Ivanovich Mendeleyev provided a classification scheme that ordered much of this burgeoning information and was a culmination of earlier attempts to represent the periodic repetition of certain chemical and physical properties of the elements.

Die Bedeutung der Atomgewichte selbst blieb unklar. 1815 hatte William Prout , ein englischer Chemiker, vorgeschlagen, dass sie alle ganzzahlige Vielfache des Gewichts des Wasserstoffatoms sein könnten, was impliziert, dass die anderen Elemente einfach Verbindungen von Wasserstoff sind. Genauere Bestimmungen zeigten jedoch, dass sich die Atomgewichte signifikant von ganzen Zahlen unterscheiden. Sie sind natürlich nicht die tatsächlichen Gewichte einzelner Atome, aber bis 1870 war es möglich, diese Gewichte (oder vielmehr Massen) in Gramm durch die kinetische Theorie der Gase und andere Methoden abzuschätzen . Man könnte also zumindest sagen, dass das Atomgewicht eines Elements proportional zur Masse eines Atoms dieses Elements ist.