קווים לדמותו – פאראדיי, מקסוול והשדה האלקטרומגנטי: יומן קריאה

קראתי ספר ואני רוצה לספר עליו.

הספר 'Faraday, Maxwell, and the electromagnetic field' עוסק בהמצאתו וניסוחו של השדה האלקטרומגנטי. הכותבים Nancy Forbes ו-Basil Mahon טווים את סיפורו של השדה דרך ביוגרפיות מקוצרות של שני אנשי המדע שפיתחו אותו, מייקל פאראדיי וג'יימס קלרק-מקסוול, תוך התמקדות באירועים הרלוונטיים, מכיוון ששניהם תרמו רבות גם בתחומים אחרים.

אבל לפני שאגיע לספר, מהו בכלל שדה אלקטרומגנטי? עסקתי בו בעבר אבל אני רוצה לגשת אליו הפעם מכיוון מעט שונה.

תמונה 1: עטיפת הספר.

***

ידוע שלתכונה שנקראת 'מטען חשמלי' יש שני מופעים שאחד אנחנו מכנים 'מטען חיובי' והשני 'מטען שלילי'. כמו כן ידוע ששני מטענים בעלי תכונה דומה דוחים זה את זה ושני מטענים בעלי תכונה שונה מושכים זה את זה. נשרטט קו ישר בין מיקומם של שני המטענים, ונוכל לומר שהכוח הוא תמיד בכיוון הקו הזה (או משיכה, או דחיה). כעת את אחד המטענים נדביק למקום ואת השני נמקם בכל פעם בנקודה אחרת. בכל נקודה חדשה נשרטט קו חדש למציאת כיוון הכוח. מה שנקבל לאחר מספר מיקומים הוא סדרה של קווים שיוצאים או נכנסים (דחיה או משיכה) למטען המודבק. סיימנו עם המטען הנייד, אפשר להעיף אותו.

הקווים שקיבלנו, שנראים כמו שמש עם קרניים, נקראים קווי השדה, והם אלה שנובעים ממטען מקור (המטען המודבק, ראו איור 2). משמעותם היא שאם נשים בנקודה כלשהי מטען נוסף (כמו המטען הנייד ממקודם), הכוח שיפעל עליו יהיה בכיוון משיק לקווים ששרטטנו בנקודה. ישנה נוסחה לחישוב גודלו של הכוח, שתלויה בעוצמת המטענים ובדעיכה לפי המרחק בריבוע, אבל נעזוב את זה לעת עתה.

איור 2: קווי שדה של מטען נקודתי.

זה נשמע אבסטרקטי למדי. האם מושג השדה הוא הכרחי?

***

לפני קבלת התורה האלקטרומגנטית של מקסוול הדעה הרווחת בין מדענים היתה שכוח חשמלי פועל ממרחק ובאופן מיידי. נניח שיש לי מטען נייד שמשמש לי כמכשיר מדידה, ומרגיש בכל רגע את הכוח החשמלי שמפעיל עליו המקור. אם 'נכבה' או נעלים את מטען המקור, הגלאי ידווח מיידית על העלמות הכוח. כלומר, המידע על העלמות המקור יגיע מיידית לגלאי. היום זה נשמע לנו מוזר אבל למדענים אז לא היתה סיבה טובה לפקפק בכך.

נחזור למטען המקור שלנו ואל קווי השדה שהקשורים אליו. ננסה לדמיין מה יקרה לשדה אם נסיט את המטען מעט מעלה ואז נחזירו למקומו המקורי. מצב 1: מטען בנקודה נמוכה, מצב 2: מטען בנקודה גבוהה, מצב 3: מטען שוב בנקודה נמוכה.

לשם פשטות נשרטט אך ורק את קו השדה שיוצא ימינה בכיוון אופקי. במצב 1 הוא נמוך, במצב 2 גבוה ומצב 3 חוזר להיות נמוך. כעת נזכר שהזזת המטען מהנקודה הנמוכה לגבוהה וחזרה לוקחת זמן. בזמן ההזזה קווי השדה עדיין קיימים אך הם משתנים בהתאם למצב באותו הרגע. לכן קו השדה הימני הוא נמוך ואז ברגע ההזזה נהיה גבוה יותר ויותר ואז חוזר להיות נמוך ונשאר כך. בעצם ייצרנו הפרעה בקו שדומה ליצירת הפרעה בחבל מתוח על ידי נענוע שלו בקצה (ראו איור 3). ההפרעה תתקדם לאורך החבל וזה מה שאנחנו מכנים גל מכני. באופן דומה ההפרעה בקווי השדה תתקדם במרחב והיא הגל האלקטרומגנטי (החלק החשמלי שלו).

אני ממליץ למי שמוצא את איור 3 לא ברור לשחק עם הסימולציה בקישור הזה. במקרה זה אנימציה עובדת טוב יותר מאיור סטטי.

איור 3: הזזה של מטען גורמת לשינוי תלוי זמן בשדה ולהתפשטות של גל אלקטרומגנטי במרחב.

מטען המקור הנע הוא בעצם סוג של אנטנת שידור של גלים אלקטרומגנטיים. את הגלים האלה ניתן לקלוט על ידי אנטנת קליטה שגם היא בעצם מטען נייד בתוך מוליך. אם ההפרעה בקווי השדה אכן נעה במרחב, המטען החשמלי באנטנת הקליטה ינוע גם הוא כאשר היא תגיע אליו. באמצעות מגבר נוכל למדוד את הזרם שנוצר.

כאשר היינריך הרץ מדד את הגלים האלה בפעם הראשונה (1886-1889) הוא למעשה אישש את התיאוריה המוזרה והשנויה במחלוקת של מקסוול על שדות אבסטרקטיים במרחב. בנוסף, הרץ אישר בניסויים את הטענה של מקסוול שהגלים ינועו במהירות האור (באמצעות מדידת גל עומד) ולכן סביר היה להניח שגם האור הוא סוג של גל אלקטרומגנטי.

***

שימו לב שהצורה שבה בחרתי להסביר את מהות השדה האלקטרומגנטי היא אנכרוניסטית. לדוגמה: האלקטרון, כלומר מטען כחלקיק, התגלה רק ב-1897. מקסוול כתב את המאמרים האחרונים על תורת השדות שלו כבר ב-1865. ספרי לימוד בפיזיקה אינם נכתבים בסדר כרונולוגי של גילוי. זה מה שהופך אותם למובנים לקורא 'הטירון'.

***

מה מחפשים קוראים בספרי מדע פופולרי? האפשרויות שעלו בראשי היו: א) ללמוד על נושא מדעי אבל לא ברמה אקדמית, ב) ללמוד על ההיסטוריה של נושא מדעי בין אם מכירים אותו ברמה אקדמית או בין אם לא, ג) לקרא סיפור מעניין שמתמקד במדענים או ברעיון מדעי. הדגש באפשרות הראשונה הוא מדעי, הדגש בשניה היסטורי והדגש בשלישית הוא סיפורי. רוב הספרים יכילו אלמנטים של שלושת הדגשים אך לא במידה שווה.

***

נחזור לספר.

הספר הוא כרונולוגיה של רעיון השדה דרך סיפור חייהם של ממציאיו ומנסחיו, פאראדיי ומקסוול. מחד, החוזק שלו הוא בסיפור המעניין על חייהם (השונים) ועל השיקולים שלהם שהולידו את הרעיונות והגילויים. כל זאת נעשה, לדעתי, בכישרון רב. הדמויות קמות לחיים והקריאה קולחת. מאידך, נקודת התורפה של הספר היא בהסברים על המדע, תיאוריה וניסויים, שאינם ברורים לקורא שאינו מכיר אותם ממקורות קודמים, ויתקשה להבינם מקריאה בספר זה.

מעבר לפרטי הביוגרפיות של פאראדיי ומקסוול למדתי מהספר שהתיאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול היתה מהפכנית. לא רק שהיא הניחה שלכוח החשמלי יש תלות בזמן, אלא שהיא היתה הראשונה שלא היה מאחוריה מודל מכניסטי. אין עקרונות מכניים שמסבירים את קיום או את פעולת השדות החשמלי והמגנטי (לדוגמה לחצים או חיכוך בתוך החומר). היא היתה אבסטרקציה מוחלטת של הפיזיקה. מסיבה זאת היה קשה לקהילת המדענים לקבל תורה זאת בזמן שפורסמהעל ידי מקסוול. זאת ועוד, המתמטיקה שבה נכתבה היתה בלתי נסבלת אפילו לפיזיקאים.

אולי יעניין אתכם גם לדעת שאת צורתם המוכרת כיום של 'משוואות מקסוול', שניתן לראות על חולצות וכוסות קפה, לא כתב מקסוול עצמו, אלא היתה עיבוד של התורה בידי אוליבר הביסייד, ברנש מוזר ביותר, אך בעל זכויות רבות.

ממתק נוסף שנמצא בספר הוא טבלה מסודרת של כל הגילויים החשובים בחשמל ומגנטיות משנת 1600 ועד שנת 1905 (איינשטיין), מסודרים בצורה כרונולוגית ונוחה לעיון. הרשימה עושה סדר בראש מבחינה כרונולוגית לכל התחום.

***

לסיכום, נהניתי לקרוא את הספר ואני מרגיש שהרווחתי ממנו הרבה ידע חדש. הוא שם היטב את 'החומר מספר הלימוד' בפרספקטיבה היסטורית. כל עוד לוקחים בחשבון מראש מה הספר מסוגל לתת ומה לא, ההנאה ממנו, לדעתי, מובטחת.