Расширениеи углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучениюновых свойств электрического тока. В 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившиебольшой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшиеуглубление и развитие.
Небольшая(менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрическогоконфликта на магнитную стрелку» произвела сенсацию среди европейских физиков.
Заслуживаетвнимания заключение Эрстеда о том, что «электрический конфликт» (т.е. встречноедвижение положительной и отрицательной «электрической материи») в проводнике«… не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активностивокруг этой проволоки… Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки».
Очевидно,что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действуетстолкновение разнородных электричеств. Но о связи между электрическими и магнитнымиявлениями Эрстед высказывал предположение в одном из своих трудов, изданном ещев 1812 г.: «Следует испробовать, не производит ли электричество в своей самойскрытой стадии каких-либо действий на магнит, как таковой».
Вскорепосле опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган X. С. Швейггер (1779—1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелкиэлектрическим током для создания первого измерительного прибора — индикаторатока.
Егоприбор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлялсобой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из витковпроволоки. Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелкумультипликатора его показания были неточными.
Амперв 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощьюастатической пары, представляющей собой дне магнитные стрелки, укрепленные наобщей медной оси и расположенные параллельно друг другу, с полюсами, обращеннымив противоположные стороны.
В 1825 г. флорентийский профессор Леопольдо Побили (1784—1835 гг.) скомбинироваластатическою пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувствительныйприбор — прообраз гальванометра.
В 1820 г. Д. Ф. Араго было обнаружено новое явление — намагничивание проводникапротекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсамивольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к нейприлипали. При выключении тока опилки отставали. Когда Ара го брал вместомедной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась.Кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом.
Порекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью,при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так былсоздан соленоид. Опыты Араго впервые доказали электрическую природу магнетизмаи возможность намагничивания стали электрическим током.
Впроцессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения» и заключавшееся в том, что при вращенииметаллической (медной) пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или подней), последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не смогли нисам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого явления было дано Фарадеемтолько после открытия явления электромагнитной индукции.
Новымшагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определениюколичественных зависимостей явилось установление французскими учеными ЖаномБатистом Био (1774— 1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791 — 1841 гг.) законадействия тока на магнит.
Проведяряд экспериментов, они установили (1820 г.) следующее: «если неограниченной длины провод с проходящнм по нему вольтовым током действует на частицусеверного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от срединыпровода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направленаперпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действиепровода на любой (южный иди северный) магнитный элемент обратно пропорциональнорасстоянию последнего до провода».
Обнаружениетангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характердвижения проводника относительно магнита. Французский ученый Пьер Симон Лаплас(1749—1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшимучастком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.
Важнейшеенаучное и методологическое значение в расширении исследования новых явленийимели труды одного из крупнейших французских ученых — Андре Мари Ампера(1775—1836 гг.), заложившие основы электродинамики.
Ампербыл необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на то что ему недовелось учиться в школе, у него не было учителей, кроме его отца — весьмаобразованного коммерсанта, он с поразительным упорством, самостоятельноовладевая знаниями, стал одним из образованнейших людей своего времени.
Физикаи математика, астрономия и химия, зоология и философия — во всех этих наукахярко проявились энциклопедические знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когдаон представил в Лионскую Академию наук, литературы и искусства свою первуюматематическую работу. К 14 годам он изучил все 20 томов знаменитой«Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера, а к 18-ти — в совершенстве изучил труды Л.Эйлера, Д. Бориулли и Ж. Лагранжа, знал латынь и несколько иностранных языков.
Личнаяжизнь Ампера была полна трагических событий: 18-летним юношей, он был потрясенказнью на гильотине его отца, как сторонника жирондистов (1793 г.), спустя несколько лет он похоронил любимую жену; весьма печальной была судьба его дочери —это вызвало серьезную сердечную болезнь, которая свела его в могилу.
Нонесмотря на огромное нервное напряжение, Ампер сумел найти в себе силы, чтобынеустанно заниматься фундаментальными научными исследованиями и сделатьнемеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации.
Егоисследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в историиэлектротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительныеспособности Ампера.
Онвпервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской Академии наук, где ихповторил во время своего сообщения Араго. Вместе с восхищением Ампер интуитивнопочувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучениемэлектромагнитных явлений.
Ировно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября 1820 г. Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затемпочти подряд — неделю за неделей (заседания Академии наук проводилисьеженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результатысвоих экспериментальных и теоретических обобщений, которые позднее былиотражены в его знаменитом труде по электродинамике.
Водном из писем Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящуювсе явления к явлениям гальванизма». Поразительна логика его обобщений: еслиток — это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперьэто кажется очевидным, но до Ампера никто так четко на это не указал. Блестящиепознания в области математики позволили Амперу теоретически обобщить своиисследования и сформулировать известный закон, носящий его имя.
Заслуживаетвнимания философский труд Ампера «Опыт философии наук, или аналитическоеизложение естественной классификации всех человеческих знаний» (1834 г.). В наше время издано много работ, посвященных науковедению «науке о науках». Своей«Классификацией» Ампер более ста лет назад заложил основы этой важной областинаучных знаний.
Рассмотримболее подробно работы Ампера в области электромагнетизма.
Отметимпрежде всего, что Ампером впервые были введен термин «электрический ток» ипонятие о направлении электрического тока. Кстати, это он предложил считать занаправление тока «движение положительного электричества» (от плюса кминусу во внешней цепи).
Наблюдаяотклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Амперсумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонениястрелки в зависимости от направления тока в проводнике.
Этоправило было в то время широко известно под названием «правила пловца» иформулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человекутак, чтобы ток проходил па направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицоего было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюсмагнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».
Особенноважное значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейныхтоков. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях:если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемымтоком, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двуммагнитам.
Открыввзаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этойцелью он построил так называемый «станок Ампера», в котором один проводник могизменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов былоустановлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга взависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное.
Серияэтих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействия линейных токов:«Два параллельных и одинаково направленных тока взаимно прибиваются, междутем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимноотталкиваются». Обнаруженные явления Ампер предложил назвать«электродинамическими» в отличие от электростатических явлений.
Обобщаярезультаты своих экспериментальных работ, Ампер вывел математическое выражениедля силы взаимодействия токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению квзаимодействию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитическимприемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этиммассам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этомАмпер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющейсередины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самимтокам. Первый мемуар Ампера о взаимодействии электрических токов былопубликован в 1820 г.
Электродинамическаятеория Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений,выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826—1827 гг.Ампером было выведено известное математическое выражение закона взаимодействиямежду двумя элементами тока.
Опираясьна труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Амперпришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма.
Отрицаясуществование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное полеимеет электрическое происхождение. Все магнитные явления сводились им к «чистоэлектрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов имагнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицыобусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целомобусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярныхк его оси.
Амперподчеркивал, что «… эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее,что намагничивание является операцией, посредством которой частицам сталосообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие,какое имеется в вольтовом столбе… Магнитные явления вызываются исключительноэлектричеством… нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как ихположение относительно токов, из которых этот магнит состоит».
РазработаннаяАмпером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагомна пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
Амперомв 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитноготелеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитнойстрелки. Однако Ампер предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок,сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, чтоподобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому,помешало практической реализации предложения Ампера. Потребовалось некотороевремя для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.
Значениеработ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказалединство электричества и магнетизма и убедительно опроверг царившие до негопредставления о магнитной жидкости. Установленные им законы механическоговзаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий вобласти электричества.
Выдающийсявклад Ампера получил высочайшую оценку (в 1881 г.). Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер».Его заслуженно называли «Ньютоном электричества». Он был членом ПарижскойАкадемии наук (с 1814 г.), и многих других Академий мира, в том числе иПетербургской (с 1830 г.).
Список литературы
ВеселовскийО. Н. Шнейберг А. Я «Очерки по истории электротехники»
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.electrolibrary.info