Открытие магнитных свойств тока. Закон Ампера.

Непохожие близнецы

Девятнадцатый век, видимо, в назидание двадцатому веку, веку узкой научной специализации, перенимает прекрасную традицию восемнадцатого столетия и оставляет нам память об удивительно разносторонних ученых.

Ганс Христиан Эрстед получил золотую медаль при окончании Копенгагенского университета за литературное эссе «Границы поэзии и прозы», представив одновременно химическое исследование о свойствах щелочей. Диссертация, за которую Эрстед был удостоен звания доктора философии, посвящена медицине, свои самостоятельные исследования он начал в университете на кафедре фармацевтики, где изучали лекарства, а стал профессором по кафедре физики.

Возникновение тепла при прохождении тока от гальванических элементов через тонкую платиновую проволочку не давало Эрстеду покоя. Электричество и тепло взаимосвязаны, думал он, но, возможно, имеется нечто общее между другими разнородными и внешне непохожими явлениями, например между электричеством и магнетизмом? Говорят, чтобы постоянно помнить об этой проблеме, Эрстед все время носил в кармане небольшой магнит…

В 1813 году Эрстед пишет в своем труде «Исследование идентичности химических и электрических сил», вышедшем из печати во Франции: «Следует испробовать, не производит ли электричество… каких-либо действий на магнит…»

Проходит семь лет. Весной 1820 года Эрстед впервые замечает, что при прохождении электрического тока лежащая рядом с проводом магнитная стрелка начинает отклоняться. После семи лет обдумываний следуют три недели лихорадочных экспериментов.

Разве могли предвидеть ученые, изучавшие магнитные и электрические явления, что их открытия приведут к созданию электростанций и электрического освещения? Уютно мерцают залитые светом окна загородного дома.

Эрстед обнаруживает, что на повороты стрелки влияет ее удаленность от провода и электрическое напряжение гальванического элемента; материал провода значения не имеет.

Эрстед отмечает странную вещь: сила, действующая между магнитом и электрическим током, направлена не по прямой, соединяющей их, а перпендикулярно к ней!

Эрстед вскоре разошлет ведущим ученым Европы статью на четырех страничках, называемую, по обычаю того времени, «мемуаром», в которой опишет свои опыты. В мемуаре Эрстеда найдет отражение и тонкое наблюдение, что «магнитный эффект электрического тока имеет круговое движение вокруг него». Будто провод окольцован магнитными силами…

Франсуа Араго и Анри Мари Ампер

Ученый секретарь Французской Академии Франсуа Араго знакомится с опытами Эрстеда в Женеве и 4 сентября 1820 года делает в Париже на заседании Академии устное сообщение о них.

Опыты Эрстеда поразили Араго. Ведь он сам уже много лет собирает сведения о связи атмосферных электрических явлений с поведением магнитных веществ на земле и готовится поставить лабораторные эксперименты по проверке своих предположений.

Участвуя в работе экспертной комиссии по выяснению причин кораблекрушений, Араго замечал, что у кораблей после сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные стороны, а железные предметы на борту сильно намагничивались. Вызвать это могла только молния…

Волнение Араго передалось членам Академии. Они просят Араго на заседании, намеченном на 22 сентября 1820 года, продемонстрировать им опыты Эрстеда.

Внимательно слушает Араго выдающийся математик Анри Мари Ампер. У него рождается проницательная мысль: если проводник тока всегда окружен магнитными силами, то «электрический конфликт» (пользуясь образным выражением Эрстеда) должен возникать не только между проводом и магнитной стрелкой, но и между двумя проводами, по которым течет ток!

Члены Французской Академии А. Ампер (слева) и Ф. Араго изучают действие магнитного поля на проводник, по которому течет электрический ток.

В течение этого знаменательного заседания глубокий теоретик превращается в увлеченного экспериментатора. За семь дней Ампер конструирует оригинальный электрический прибор и на следующих заседаниях Академии — 11 и 18 сентября — демонстрирует присутствующим взаимодействие двух проводников с током!

Если в обоих проводниках электрические токи текут параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются, обнаруживает Ампер; эти же проводники отталкиваются, когда токи в них проходят во взаимно противоположных направлениях.

Затем Ампер выведет простую формулу, которая позволит рассчитать силу взаимодействия двух проводников в том случае, когда они установлены под углом друг к другу. Формула будет названа впоследствии законом Ампера…

Ампер продолжает свои опыты. Свернув проводники в виде двух спиралей, получивших название соленоидов, он доказывает, что соленоиды, установленные рядом, при пропускании тока ведут себя подобно двум магнитам.

Ампер исследует влияние магнитного поля Земли на движение проводника, соленоида и металлической рамки с током. Он высказывает опережающую время мысль о том, что магнит в свою очередь представляет собой совокупность токов. В магните, считает Ампер, есть множество элементарных круговых токов, текущих перпендикулярно к его оси. Так и кажется, что французский ученый уже знает о непрерывном движении заряженных частиц внутри каждого вещества, об открытии электрона, о планетарном строении атома, доказанном Резерфордом через столетие.

Свои сообщения на заседании Академии Ампер заключил словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».

Пройдет много лет, и открытия Ампера лягут в основу метода определения единицы электрического тока. На IX Международной конференции по мерам и весам в 1948 году будет решено считать основной электрической единицей один ампер— силу тока, при которой два параллельных проводника длиной в один метр взаимодействуют друг с другом с силой в две десятимиллионные части ньютона.

От силы тока в один ампер произойдет единица количества электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая получит наименование вольта, единица сопротивления, именуемая омом.

Очевидцы рассказывали, что идеи Ампера были столь новы, что многие члены Французской Академии просто не поняли их революционного научного смысла. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил на заседании один из них, обращаясь к Амперу.— Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга?»

За Ампера его оппоненту мгновенно ответил Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга…»

Оба ключа, действительно, могут открыть один и тот же замок, но это не будет замок двери в страну знаний.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.