Магнітна дія струму. Дослід Ерстеда

Можливе існування тісного зв'язку між електрикою і магнетизмом припускали вже найперші дослідники, уражені аналогією електростатичних і магнітостатичних явищ тяжіння і відштовхування. Ця вистава була настільки поширене, що спочатку Кардан, а потім і Гільберт вважали його забобоном і всіляко намагалися показати відмінність цих двох явищ. Але це припущення знову виникло в XVIII столітті вже з більшими підставами, коли було встановлено, що намагнічує дію блискавки, а Франкліну і Беккаріа вдалося домогтися намагнічування за допомогою розряду лейденської банки. Закони Кулона, формально однакові для електростатичних і магніто-статичних явищ, знову висунули цю проблему.

Після того як завдяки батареї Вольта з'явилася можливість отримувати електричний струм протягом довгого часу, спроби виявити зв'язок між електричними і магнітними явищами стали більш частими і більш інтенсивними. І все ж, незважаючи на інтенсивні пошуки, відкриття змусило себе чекати цілих двадцять років. Причини такої затримки слід шукати в наукових уявленнях, що панували в ті часи. Всі сили розумілися тільки в ньютоновском сенсі, т. Е. Як сили, які діють між матеріальними частками за що сполучає їх прямий. Тому дослідники намагалися виявити сили саме цього роду, створюючи пристосування, за допомогою яких вони сподівалися виявити передбачуване тяжіння або відштовхування між магнітним полюсом і електричним струмом (або, висловлюючись більш загальним чином, між «гальванічним флюїдом» і магнітним флюїдом) або ж намагалися намагнітити сталеву голку, направляючи по ній струм.

Взаємодія між гальванічним і магнітним флюїдом намагався виявити і Джан Доменіко Романьозі (1761-1835) в дослідах, описаних ним у статті 1802 року, на яку Гульєльмо Лібрі (1803-1869), П'єтро Конфільяккі (1777-1844) і багато інших посилалися потім , приписуючи Романьозі пріоритет цього відкриття. Досить, однак, прочитати цю статтю, щоб переконатися, що в дослідах Романьозі, що проводилися з батареєю з незамкненою ланцюгом і магнітної голкою, взагалі немає електричного струму, і тому найбільше, що він міг спостерігати, - це звичайне електростатичне дію.

Коли 21 липня 1820 року в одній дуже лаконічною статті на чотирьох сторінках (латинською мовою), під заголовком «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam», данський фізик Ганс Християн Ерстед (1777-1851) описав фундаментальний досвід з електромагнетизму, доводить, що струм в прямолінійній провіднику, що йде уздовж меридіана, відхиляє магнітну голку від напряму меридіана, інтерес і подив учених були великі не тільки тому, що було отримано настільки-довго розшукував вирішення проблеми, а й тому, що новий досвід, як відразу ж стало ясно , вказував на силу неньютонівської типу.

Справді, з досвіду Ерстеда ясно було видно, що сила, що діє між магнітним полюсом і елементом струму, спрямована не за що сполучає їх прямий, а по нормалі до цієї прямої, т. Е. Вона, як тоді говорили, є «силою повертає ». Значення цього факту відчувалося вже тоді, хоча повністю воно було усвідомлено лише через багато років. Дослід Ерстеда викликав першу тріщину в ньютонівської моделі світу.

Про те скруті, в яке потрапила наука, можна судити, наприклад, по замішання, в якому знаходилися італійські, французькі, англійські і німецькі перекладачі, які перекладали на рідну мову латинську статтю Ерстеда. Часто, зробивши буквальний переклад, який представлявся їм неясним, вони приводили в примітці латинський оригінал.

Дійсно неясним у статті Ерстеда ще й сьогодні залишається пояснення, яке він намагається дати спостерігався їм явищам, обумовленим, на його думку, двома протилежно спрямованими спіральними рухами навколо провідника «електричної матерії, відповідно позитивної і негативної».

Винятковість явища, відкритого Ерстед, відразу ж привернула до нього велика увага експериментаторів і теоретиків. Араго, повернувшись з Женеви, де він був присутній при аналогічних дослідах, повторених Де ла Рівом, розповів про них у Парижі, а в вересні того ж 1820 зібрав свою відому установку з вертикальним провідником струму, що проходить крізь горизонтально розташований шматок картону, посипаний залізними тирсою. Але кіл із залізних тирси, які ми зазвичай помічаємо при проведенні цього досвіду, він не виявив. Експериментатори бачать ясно ці кола з тих пір, як Фарадей висунув теорію «магнітних кривих», або «силових ліній». Дійсно, нерідко, щоб побачити щось, потрібно дуже бажати цього! Араго ж бачив тільки, що провідник, за його висловом, «обліплюють залізними тирсою так, як якщо б це був магніт», з чого він зробив висновок, що «ток викликає магнетизм в залозі, яке не піддавалося попередньому намагнічування».

Все в тому ж 1820 Біо зачитав дві доповіді (30 жовтня і 18 грудня), в яких повідомляв про результати проведеного ним разом з Саварен експериментального дослідження. Намагаючись відкрити закон, що визначає залежність величини електромагнітної сили від відстані, Біо вирішив скористатися методом коливань, яким раніше користувався вже Кулон. Для цього він зібрав установку, що складається з товстого вертикального провідника, розташованого поруч з магнітною стрілкою: при включенні струму в провіднику стрілка починає коливатися з періодом, що залежать від електромагнітної сили, що діє на полюса при різних відстанях від центру стрілки до провідника зі струмом. Вимірявши ці відстані, Біо і Савар вивели що носить тепер їх ім'я добре відомий закон, який в своїй першій формулюванні не враховував інтенсивності струму (її тоді не вміли ще вимірювати).

Дізнавшись про результати дослідів Біо і Савара, Лаплас зауважив, що дія струму можна розглядати як результат окремих дій на полюси стрілки нескінченного числа нескінченно малих елементів, на які можна розділити струм, і уклав з цього, що кожен елемент струму діє на кожен полюс з силою , обернено пропорційною квадрату відстані цього елемента від полюса. Про те, що Лаплас взяв участь в обговоренні цієї проблеми, йдеться у Біо в його роботі «Precis elementaire de physique ехрё-rimentale». У творах же Лапласа, наскільки нам відомо, немає ніякого натяку на таке зауваження, з чого можна зробити висновок, що він, мабуть, висловив це в усній дружній бесіді з самим Біо.

Щоб поповнити свої відомості про цю елементарної силі, Біо спробував, на цей раз один, визначити досвідченим шляхом, чи змінюється і якщо змінюється, то яким чином дію елемента струму на полюс зі зміною кута, утвореного напрямком струму і прямої, що з'єднує середину елемента з полюсом . Досвід полягав у порівнянні того, яку дію надає на одну і ту ж стрілку паралельний їй струм і струм, спрямований під кутом. З даних досвіду Біо шляхом розрахунку, якого він не опублікував, але який, безумовно, був помилковим, як це показав в 1823 р Ф. Савар {1797-1841), визначив, що ця сила пропорційна синусу кута, утвореного напрямком струму і прямої , що з'єднує розглянуту точку з серединою елемента струму. Таким чином, те, що зараз називають «першим елементарним законом Лапласа», значною мірою є відкриттям Біо.

Маріо Льецці "Історія фізики"