Взаємодія електричного струму і магніту. Розробка основ електродинаміки

Розширення і поглиблення досліджень електричних явищ привели до відкриття і вивчення нових властивостей електричного струму. У 1820 р були опубліковані і продемонстровані досліди Г. X. Ерстеда зі спостереження дії струму на магнітну стрілку, що порушили великий інтерес серед вчених різних країн і отримали в їхніх працях подальші поглиблення і розвиток.

Невелика (менше 5 сторінок) брошура Ерстеда «Досліди, що стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку» викликала сенсацію серед європейських фізиків.

Заслуговує на увагу висновок Ерстеда про те, що «електричний конфлікт» (тобто зустрічний рух позитивної та негативної «електричної матерії») в провіднику «... не обмежений проводить дротом, але має велику сферу активності навколо цього дроту ... Цей конфлікт утворює вихор навколо дроту ».

Очевидно, що Ерстед помилявся, вважаючи, що на магнітну стрілку діє зіткнення різнорідних електрики. Але про зв'язок між електричними і магнітними явищами Ерстед висловлював припущення в одній зі своїх праць, виданому ще в 1812 р .: «Слід випробувати, не виробляє електрику в своїй самої прихованої стадії будь-яких дій на магніт, як такої».

Незабаром після опублікування цієї брошури (в 1820 р) німецький фізик Йоганн X. С. Швейггера (1779-1857 рр.) Запропонував використовувати відхилення магнітної стрілки електричним струмом для створення першого вимірювального приладу - індикатора струму.

Його прилад, який отримав назву «мультиплікатора» (тобто помножуючого) представляв собою магнітну стрілку, вміщену всередині рамки, що складається з витків дроту. Однак внаслідок впливу земного магнетизму на магнітну стрілку мультиплікатора його свідчення були неточними.

Ампер в 1821 р показав можливість усунення впливу земного магнетизму за допомогою астатичній пари, що представляє собою дні магнітні стрілки, укріплені на загальній мідної осі і розташовані паралельно один одному, з полюсами, зверненими в протилежні сторони.

У 1825 р флорентійський професор Леопольдо Побили (1784-1835 рр.) Скомбінував астатична пару з мультиплікатором і влаштував таким чином більш чутливий прилад - прообраз гальванометра.

У 1820 р Д. Ф. Араго було виявлено нове явище - намагнічування провідника протікає по ньому струмом. Якщо мідний дріт, поєднана з полюсами вольтова стовпа, поринала в ошурки, то останні рівномірно до неї прилипали. При виключенні струму тирса відставали. Коли Ара го брав замість мідного дроту залізну (з м'якого заліза), то вона тимчасово намагнічувалося. Шматочок стали при такому намагничивании ставав постійним магнітом.

За рекомендацією Ампера Араго замінив прямолінійну дріт дротяної спіраллю, при цьому намагнічування голки, вміщеній всередині спіралі, посилювалося. Так був створений соленоїд. Досліди Араго вперше довели електричну природу магнетизму і можливість намагнічування стали електричним струмом.

У процесі досліджень Араго виявив (в 1824 р) ще одне нове явище, назване їм «магнетизмом обертання» і яке полягало в тому, що при обертанні металевої (мідної) пластини, що знаходиться над магнітною стрілкою (або під нею), остання також приходить під обертання. Пояснити це явище не змогли ні сам Араго, ні Ампер. Правильне пояснення цього явища було дано Фарадеем тільки після відкриття явища електромагнітної індукції.

Новим кроком від якісних спостережень дії струму на магніт до визначення кількісних залежностей стало встановлення французькими вченими Жаном Батистом Біо (1774- 1862 рр.) І Феліксом Саварен (1791 - 1841 рр.) Закону дії струму на магніт.

Провівши ряд експериментів, вони встановили (1820 г.) наступне: «якщо необмеженої довжини дріт з проходящнм по ньому вольта струмом діє на частку північного або південного магнетизму, що знаходиться на відомій відстані від середини дроти, то рівнодіюча всіх сил, що виходять з дроту, спрямована перпендикулярно до найкоротшій відстані частинки від проводу, і спільна дія дроти на будь-який (південний йди північний) магнітний елемент обернено пропорційно відстані останнього до проводу ».

Виявлення тангенціальної складової сили дозволило пояснити обертальний характер руху провідника щодо магніту. Французький вчений П'єр Симон Лаплас (1749-1827 рр.) Показав згодом, що сила дії, створювана невеликою ділянкою провідника, змінюється обернено пропорційно квадрату відстані.

Найважливіше наукове і методологічне значення в розширенні дослідження нових явищ мали праці одного з найбільших французьких вчених - Андре Марі Ампера (1775-1836 рр.), Що заклали основи електродинаміки.

Ампер був надзвичайно обдарованою від природи людиною. Незважаючи на те що йому не довелося вчитися в школі, у нього не було вчителів, крім його батька - вельми освіченого комерсанта, він з разючою завзятістю, самостійно здобуваючи знання, став одним з найосвіченіших людей свого часу.

Фізика і математика, астрономія і хімія, зоологія і філософія - у всіх цих науках яскраво проявилися енциклопедичні знання Ампера. Йому було всього 13 років, коли він представив в Ліонську Академію наук, літератури і мистецтва свою першу математичну роботу. До 14 років він вивчив всі 20 томів знаменитої «Енциклопедії» Дідро і Д'Аламбера, а до 18-ти - досконало вивчив праці Л. Ейлера, Д. Боріуллі і Ж. Лагранжа, знав латинь і кілька іноземних мов.

Особисте життя Ампера була сповнена трагічних подій: 18-річним юнаком, він був вражений стратою на гільйотині його батька, як прихильника жирондистів (1793 г.), через кілька років він поховав кохану дружину; вельми сумною була доля його дочки - це викликало серйозну серцеву хворобу, яка звела його в могилу.

Але незважаючи на величезну нервову напругу, Ампер зумів знайти в собі сили, щоб невпинно займатися фундаментальними науковими дослідженнями і зробити немеркнучий внесок до скарбниці світової цивілізації.

Його дослідження в області електромагнетизму відкрили нову сторінку в історії електротехніки. І при вивченні цих явищ яскраво проявилися вражаючі здібності Ампера.

Він вперше дізнався про досліди Ерстеда на засіданні Паризької Академії наук, де їх повторив під час свого повідомлення Араго. Разом із захопленням Ампер інтуїтивно відчув важливість цього відкриття, хоча раніше він не займався вивченням електромагнітних явищ.

І рівно через тиждень (всього через тиждень!) 18 вересня 1820 р Ампер виступає на засіданні Академії з доповіддю про взаємодію струмів і магнітів, а потім майже підряд - тиждень за тижнем (засідання Академії наук проводилися щотижня) він викладає перед найбільшими французькими вченими результати своїх експериментальних і теоретичних узагальнень, які пізніше були відображені в його знаменитій праці з електродинаміки.

В одному з листів Ампер підкреслює, що він «створив нову теорію магніту, що зводять все явища до явищ гальванизма». Разюча логіка його узагальнень: якщо струм - це магніт, то два струму повинні взаємодіяти подібно магнітів. Тепер це здається очевидним, але до Ампера ніхто так чітко на це не вказав. Блискучі пізнання в області математики дозволили Амперу теоретично узагальнити свої дослідження і сформулювати відомий закон, що носить його ім'я.

Заслуговує на увагу філософська праця Ампера «Досвід філософії наук, або аналітичне виклад природної класифікації всіх людських знань» (1834 г.). У наш час видано багато робіт, присвячених наукознавства «науці про науках». Своєю «Класифікацією» Ампер понад сто років тому заклав основи цієї важливої ​​галузі наукових знань.

Розглянемо більш докладно роботи Ампера в області електромагнетизму.

Відзначимо насамперед, що Ампером вперше були введено термін «електричний струм» та поняття про направлення електричного струму. До речі, це він запропонував вважати за напрямок струму "рух позитивного електрики" (від плюса до мінуса у зовнішній ланцюга).

Спостерігаючи відхилення магнітної стрілки під впливом протікає по провіднику струму, Ампер зумів сформулювати правило, що дозволяє визначити напрямок відхилення стрілки в залежності від напрямку струму в провіднику.

Це правило було в той час широко відоме під назвою «правила плавця» і формулювалося воно наступним чином: «Якщо подумки розташуватися людині так, щоб струм проходив па напрямку від ніг спостерігача до голови і щоб обличчя його було звернене до магнітною стрілкою, то під впливом струму північний полюс магнітної стрілки завжди буде відхилятися вліво ».

Особливо важливе значення мали дослідження Ампером взаємодій кругових і лінійних струмів. До цих досліджень він підійшов, грунтуючись на наступних міркуваннях: якщо магніт по своїх властивостях аналогічний котушці або кільцевому провіднику, обтічним струмом, то два кругових струму повинні діяти один на одного подібно двом магнітів.

Відкривши взаємодія кругових струмів, Ампер почав дослідження лінійних струмів. З цією метою він побудував так званий «верстат Ампера», в якому один провідник міг змінювати положення щодо іншого провідника. В ході цих дослідів було встановлено, що два лінійних струму притягує або відштовхують один одного в залежності від того, чи мають струми однакове напрямок або різне.

Серія цих дослідів дозволила Амперу встановити закон взаємодії лінійних струмів: "Два паралельних і однаково спрямованих струму взаємно прибиваються, між тим як два паралельних і протилежно спрямованих струму взаємно відштовхуються". Виявлені явища Ампер запропонував назвати "електродинамічними" на відміну від електростатичних явищ.

Узагальнюючи результати своїх експериментальних робіт, Ампер вивів математичне вираз для сили взаємодії струмів подібно до того, як це зробив Кулон по відношенню до взаємодії статичних зарядів. Це завдання Ампер вирішив аналітичним прийомом, виходячи з принципів Ньютона про взаємодію мас і уподібнюючи цим масам два елементи струму, довільно розташованих в просторі. При цьому Ампер припустив, що взаємодія елементів струму відбувається по прямій, що з'єднує середини цих елементів, і що воно пропорційно довжині елементів струму і самим струмів. Перший мемуари Ампера про взаємодію електричних струмів був опублікований в 1820 р

Електродинамічна теорія Ампера викладена ним у творі "Теорія електродинамічних явищ, виведена виключно з досвіду", виданому в Парижі в 1826-1827 рр. Ампером було виведено відоме математичне вираз закону взаємодії між двома елементами струму.

Спираючись на праці попередників, а також на важливі результати своїх досліджень, Ампер прийшов до принципово нового висновку про причини явищ магнетизму.

Заперечуючи існування особливих магнітних рідин, Ампер стверджував, що магнітне поле має електричне походження. Всі магнітні явища зводилися їм до «чисто електричним дій». Грунтуючись на тотожність дії кругових струмів і магнітів, Ампер прийшов до висновку про те, що магнетизм будь-якої частки обумовлений наявністю кругових струмів в цій частці, а властивості магніту в цілому обумовлені електричними струмами, розташованими в площинах, перпендикулярних до його осі.

Ампер підкреслював, що «... ці струми навколо осі магніту реально існують, або, скоріше, що намагнічування є операцією, за допомогою якої часткам стало повідомлятися властивість порушувати для цих струмів таке ж електрорушійної дію, яке є в вольтовом стовпі ... Магнітні явища викликаються виключно електрикою ... немає ніякої різниці між двома полюсами магніту, як їх положення щодо струмів, з яких цей магніт складається ».

Розроблена Ампером гіпотеза молекулярних кругових струмів стала новим прогресивним кроком на шляху до матеріалістичної трактуванні природи магнітних явищ.

Ампером в 1820 р була висловлена ​​думка про можливість створення електромагнітного телеграфу, заснованого на взаємодії провідника зі струмом і магнітної стрілки. Однак Ампер пропонував взяти «стільки провідників і магнітних стрілок, скільки є літер ..., поміщаючи кожну букву на окремій стрілці». Очевидно, що подібна конструкція телеграфу була б вельми громіздкою і дорогою, що, мабуть, завадило практичної реалізації пропозиції Ампера. Знадобилося кілька днів для того, щоб знайти більш реальний шлях створення телеграфу.

Значення робіт Ампера для науки було дуже велике. Своїми дослідженнями Ампер довів єдність електрики і магнетизму і переконливо спростував панували до нього уявлення про магнітної рідини. Встановлені ним закони механічної взаємодії електричних струмів належать до числа найбільших відкриттів в області електрики.

Видатний внесок Ампера отримав найвищу оцінку (в 1881 р). Перший Міжнародний конгрес електриків присвоїв одиниці сили струму найменування «Ампер». Його заслужено називали «Ньютоном електрики». Він був членом Паризької Академії наук (з 1814 р), і багатьох інших Академій світу, в тому числі і Петербурзької (з 1830 р).

Веселовський О. Н. Шнейберг А. Я "Нариси з історії електротехніки"