Электрический конфликт Ханса Эрстеда

В тот день в Копенгагенском университете должен был читать лекцию о связи электричества с теплотой профессор Ханс Кристиан Эрстед. Сорокатрехлетний ученый был довольно известной фигурой в Дании.

Родившись в семье аптекаря, он получил диплом фармацевта, а потом доктора философии, и его научные интересы были широкими и разносторонними. За интересные работы по получению хлористого и металлического алюминия Эрстед был принят в члены Датского королевского научного общества и стал его непременным секретарем. Он много ездил, совершая научные путешествия по европейским государствам, и знакомился с учеными разных стран.

Эрстед был хорошим лектором и умелым популяризатором науки. Немудрено, что на его лекции собиралось много студентов. В те годы свободного посещения студенты попросту игнорировали лекции профессоров, которые читали плохо или недостаточно знали предмет.

Рассказывая о нагревании проволоки под действием протекающей в ней электрической жидкости, профессор Эрстед подошел к столу, чтобы показать опыт: подключить к полюсам вольтова столба платиновую проволочку, нагреть ее и дать желающим пощупать… Такой опыт в те времена вызывал настоящий восторг среди слушателей и очевидцев.

Как случилось, что на столе рядом с нагреваемой проволокой оказался компас, сказать сегодня невозможно. Он не имел никакого отношения к теме лекции. И его присутствие здесь было чистой случайностью. Но это была «великолепная случайность».

Столь же прекрасным было и то, что один из студентов, которого, по‑видимому, не слишком интересовали электрические опыты, обратил внимание на компас. И заметил, что при включении гальванической цепи магнитная стрелка почему‑то отклоняется. И надо же было этому студенту задать вопрос о причине обнаруженного явления… Он был, по‑видимому, все‑таки любознательным молодым человеком. Как жаль, что мы никогда не узнаем его имени…

Эрстед даже растерялся от неожиданности вопроса.

– Я не понимаю, господин студент, о чем вы говорите.

– Но я говорю о том, что видел собственными глазами. В момент включения вами, господин профессор, цепи стрелка компаса отклонилась.

– Вы уверены, что это было так? – медленно переспросил Эрстед, оглядывая демонстрационный стол. Он заметил, что один из проводов, идущий от батареи, образовал петлю и лежал на компасе почти параллельно стрелке.

– Но я могу поклясться, что все было именно так! – воскликнул возмущенный недоверием студент и стал продвигаться к столу через группу своих товарищей.

– Не двигайтесь! – закричал Эрстед. – Я сейчас повторю опыт, ничего не изменяя. Следите за стрелкой и скажите, что вы увидите.

Он снова замкнул цель и едва не оглох от дружного вопля студентов: «Отклонилась!»

Сколько времени Эрстед ждал этого момента! На какие ухищрения только не шел, чтобы обнаружить связь электричества с магнетизмом. А все оказалось так просто…

– Отклонение магнитной стрелки, господа, может быть вызвано единственной причиной, – голос его дрожал от волнения и прерывался, – электрическим конфликтом, то есть воздействием на магнитную стрелку перемещающейся в проводнике электрической жидкости.

Пять месяцев спустя из печати вышел небольшой мемуар Эрстеда, озаглавленный: «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В нем было изложено правило, уже очень похожее на формулировку закона: «Гальваническое электричество, идущее с севера на юг над свободно подвешенной магнитной стрелкой, отклоняет ее северный конец к востоку, а проходя в том же направлении под стрелкой, отклоняет ее на запад». Но вот почему все происходило именно так, а не иначе, Эрстед объяснить не мог.

«Наш великий Ампер»

Мы с вами ведь уже знакомы с Домиником Франсуа Жаном Араго – удивительным человеком, на долю которого выпало столько приключений, что их хватило бы на толстый роман. Араго был серьезным ученым.

Прежде всего, он был, пожалуй, геодезистом и астрономом. Но еще он увлекался физикой, исследовал законы света вместе с Френелем и дружил с Ампером, будучи не чуждым интересам к электричеству и магнетизму.

В 1820 году в Женеве Араго увидел на собрании натуралистов повторение опытов Эрстеда. И конечно, тут же решил познакомить с ними своих соотечественников. Вернувшись домой, он собрал нехитрую установку с вольтовым столбом и продумал программу экспериментов.

Чтобы стрелка компаса легче вращалась, понадобилось подпилить опорную иглу. Работа не сложная. И вот – ток включен и магнитная стрелка отклоняется серебряным проводничком с током от своего законного направления. Но что это? Какая‑то грязь?.. Араго протирает серебряный проводник и снимает с него налипшие железные опилки. Однако стоит ему положить проводник на стол, как опилки вновь налипают на него…

Араго выключает ток, и опилки осыпаются с серебряной проволоки. Включает – и они облепляют ее, будто серебро стало магнитом. Серебро – магнитом! Вот!.. Счастливое открытие, которое он заметил и тут же осознал его важность. Немагнитный серебряный проводник, когда по нему проходит электрический ток, становится магнитом! Интересно! Очень интересно!

Снаружи раздался стук. Араго выглянул в окно и увидел сверху обвисшие поля шляпы и плечи мятого камзола. Это Ампер – академик Андре Мари Ампер – самый гениальный и самый рассеянный из его друзей. Пыль на его башмаках доказательство того, что он уже давно вышел из своего дома на улице Фоссе де Сан‑Виктор и бродил по Парижу или по его предместьям, не разбирая дороги, как всегда погруженный в свои мысли.

– Входите, входите, мой друг! – В голосе Араго звучала неподдельная нежность. Он искренне любил этого нескладного и такого несчастного человека, вечного отшельника и глубокого мудреца Ампера. – Входите и давайте вашу шляпу. Я ее положу здесь отдельно от других, чтобы вы не спутали… – Араго напомнил тот случай, когда после бурных споров по вопросам метафизики в одном из парижских домов Ампер схватил по рассеянности треуголку присутствовавшего священника и ушел в ней домой, оставив духовному отцу свою круглую шляпу.

Ампер улыбнулся:

– Вы жестоки. А я‑то бежал к вам, чтобы рассказать, к каким замечательным выводам пришел, обдумывая опыты Эрстеда… Вы знаете, его открытие знаменует собой начало новой эпохи в электричестве – электричестве не статическом, не неподвижном, а, наоборот, движущемся, выливающемся из гальванических батарей, подобно потокам…

Араго проводил друга наверх в лабораторию и усадил в кресло.

– Я вижу, что и вы не чужды гальваническим увлечениям? – восклицает Ампер, кивая на приборы и вольтов столб.

– Вы правы. Я воспроизвел опыт Эрстеда и, как мне кажется, наткнулся на новое явление. Может быть, оно заинтересует вас?..

Араго снова замыкает цепь и приближает проводники к опилкам. Тотчас же они облепляют проволоку, ощетинившись как иглы. Ампер протянул к цепи руку, Араго выключил ток, и опилки легким дождем ссыпались в ладонь Амперу…

– Прекрасно! – Ампер вскочил с места. – Это только лишний раз доказывает, что я прав. Покоящиеся заряды не взаимодействуют с магнитной стрелкой. Но стоит им прийти в движение, и они превращают серебряный проводник в магнит. Провод – магнит! Превосходно. – Он на мгновение задумался. – А как вы думаете, станут взаимодействовать два провода с током, как магниты?..

Прибавление

Жарким грозовым днем в июне 1731 года молния ударила в дом одного почтенного купца города Уэкфилда. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что небесный огонь разбил ящик, наполненный стальными ножами и вилками и разбросал все столовые приборы по полу. Кинувшись подбирать имущество, купец обнаружил, что ножи и вилки оказались намагниченными…

Компасные мастера не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный – на север. Это случалось на тех судах, мачты которых принимали на себя удары молний.

Он уже не ждал ответа. Мысль его заработала. Глубоко внутри началась таинственная, никому не ведомая работа, результатом которой бывает озарение и новые идеи…

Ампер стремительно шагал по набережной Сены, находясь в том счастливом состоянии духа, когда то, о чем так много и упорно думалось, представляется вдруг если еще и не совсем ясным, то проступающим и уже понятным в целом, будто наплывающее строение в клубах утреннего тумана, тающего под лучами солнца.

Мальчишки плыли по течению, весело перекликаясь друг с другом, и Амперу вдруг пришла в голову мысль о простом правиле, с помощью которого можно всегда определить направление отклонения магнитной стрелки протекающим током. Он решил назвать его «правилом пловца». Если пустить человека плыть по течению, совпадающему с направлением тока, лицом вниз, то он будет видеть, что северный конец стрелки всегда отклонится под действием этого тока вправо… Браво, Андре!.. Он оглянулся: как было бы хорошо начертить все это, поставить стрелки, определить направления… Вот и кусочек мела нашелся в кармане… Какое счастье, что рядом с ним его черная доска…

Парижане – сдержанная публика, когда дело касается чьих‑либо чудачеств. Но это уж… извините, мсье… Сначала один, потом двое, наконец пятеро прохожих оглянулись с возмущением на пожилого дурно одетого господина, который в самозабвении расчерчивал мелом заднюю стенку чьей‑то черной кареты.

18 сентября 1820 года на заседании Парижской академии наук академик Андре Мари Ампер начал свою знаменитую серию докладов по электромагнетизму.

– При самом начале явления, открытые Эрстедом, мсье, – говорил Ампер, стоя на возвышении, – по справедливости названы электромагнитными. Однако в явлениях, о которых хочу говорить я, магнит не участвует. И потому правильнее будет дать им общее название электродинамических…

Первый опыт, на который меня подтолкнули блестящие эксперименты нашего общего друга академика Араго, я проделал с двумя прямыми проволоками, по которым протекает электричество от вольтова столба. И мое открытие заключается в том, что две параллельные соединительные проволоки взаимно притягиваются, когда электричество движется по ним в одном направлении, и отталкиваются, когда направления токов противоположны…

По комнате, где проходило заседание, пробежал шепот. Открытие Ампера было так просто и поистине гениально. Оно вызвало разные чувства у присутствующих. Араго гордился своим другом. Био слушал с неослабевающим интересом, изредка поглядывая на молодого Савара, с которым его связывала дружба. Семидесятилетний Лаплас дремал. Однако было здесь и немало тех, кого с первых же слов Ампера начала снедать зависть. «Подумаешь, открытие! – говорили они. – Притяжение и отталкивание токов – это не более чем видоизмененное притяжение и отталкивание заряженных тел, известное еще со времен Дюфе…»

Ампер живо реагировал на это возражение.

– Одинаково наэлектризованные тела взаимно отталкиваются, два же одинаковых тока притягиваются… и, соприкоснувшись, остаются соединенными, как магниты.

– Но, позвольте, – говорили завистники, – в чем же новизна открытия? Эрстед доказал действие тока на магнитную стрелку. Но если два тела способны действовать на третье, то они должны действовать и друг на друга… Не означает ли это, что взаимное притяжение и отталкивание проводов суть следствие, вытекающее из опытов того же Эрстеда?..

Поиски металлов в XVI веке. Со старинной гравюры.

И они садились на место, внутренне торжествуя, внешне же притворно сожалели, что слава поспешного открытия их коллеги исчезает как дым… И тогда снова вскакивал Ампер. Он предлагал сомневающимся в его заслугах вывести самим из опытов Эрстеда направление взаимодействия токов. И когда его противникам это не удавалось, садился на место удовлетворенный.

И так продолжалось не раз и не два…

Четыре понедельника подряд в октябре 1820 года выступал Ампер с трибуны академии, докладывая о результатах своих исследований. Потом он выступал еще и еще… Он свернул провод в спираль и, пропустив по нему ток, обнаружил, что получившийся соленоид ничем, по своим свойствам, не отличается от обыкновенного магнита.

– Каждый магнит, мсье, я в этом уверен, – с жаром говорил Ампер коллегам, – представляет из себя множество естественных соленоидов, по которым текут крошечные круговые токи.

Именно гальванический ток, циркулирующий в каждой частице вещества, создает ее природный магнетизм. Только электрический ток определяет магнитные свойства тела…

Пока оси этих круговых токов разбросаны беспорядочно внутри тела, магнитные свойства не могут себя проявить, ибо они компенсируют друг друга. Но стоит всем осям по какой‑то причине стать параллельными, выстроившись по ранжиру, и тогда железо и сталь становятся магнитами…

В 1821 году, устав от опытов, которые он проводил в собственной квартирке на улице Фоссе де Сен‑Виктор за столиком, сделанным своими руками, и с неуклюжими приборами, изготовленными бродячим слесарем, Ампер заявил, что переходит к составлению теории. В ней он хотел в ясной математической форме привести к единству все многочисленные результаты опытов и электродинамические явления.

Пожалуй, именно после этого французы стали называть близорукого и рассеянного чудака «наш великий Ампер».

Сам себе генератор

Теория Ампера отнюдь не вызвала единодушного признания у современников. Большинству из них трудно было представить себе магнетизм без привычного носителя – магнитной жидкости. А уж предполагать наличие электрического тока внутри Земли – это увольте…

Правда, кое‑кто из исследователей‑экспериментаторов пытался закапывать металлические пластины глубоко в землю и соединять их друг с другом проволокой через гальванометр. При этом бывало, что прибор даже показывал ток. Но какой? Он был ничтожен по величине и каждый раз менялся по направлению. Может быть, положение улучшится, если предположить, что земной шар заряжают молнии? Но и тут расчеты показывали, что грозы не в состоянии поддержать магнитное поле Земли. Его источник следовало искать в недрах и только в недрах.

Прибавление

Молния, молния… Но ведь молния – это не что иное, как огромная электрическая искра…

7 сентября 1753 года в здании Санкт‑Петербургской императорской Академии господин профессор Франц Ульрих Теодор Эпинус прочел на конференции трактат: «О сходстве электрической силы с магнитною».

Дальше оставалось только доказать и подтвердить на опытах связь электричества с магнетизмом. Только… Но это‑то «только» и не удавалось никому из физиков. Правда, английский химик Гемфри Дэви, соорудив гигантский вольтов столб, состоящий из двух тысяч пар пластин, и получив электрическую дугу, обнаружил, что пламя дуги отклоняется магнитом. Но это было не совсем то… Пламя…

Уже были найдены многие связи между электричеством и светом, между электричеством и звуком, даже между электричеством и теплом. А вот связать электричество с магнетизмом никак не удавалось. Так продолжалось до 15 февраля 1820 года.

В начале нового, XX столетия возникла идея о самонамагничивании Земли. Именно тогда из опытов английского ученого Эрнеста Резерфорда стало известно новое строение атомов. Электроны как волчки крутились вокруг своих осей и облетали атомное ядро, подобно планетам Солнечной системы. А что, если попробовать проделать такой мысленный эксперимент: взять металлический стержень и начать его быстро вращать вокруг оси. Тогда, согласно законам механики, все волчки‑электроны должны немедленно повернуться своими осями в одну сторону. И стержень окажется намагниченным.

В 1919 году американский физик Барнетт проделал описанный опыт и простым вращением намагнитил железный стержень. Казалось, все доказано. Разве это не подходящая модель для Земли? С ее‑то запасами магнитных металлов внутри?

Увы, и эта модель не выдержала проверки. Зная скорость вращения планеты и распределение в ней магнитных материалов, геофизики сосчитали, что поле должно быть в десять миллиардов раз меньше имеющегося. Опять неудача!

Неожиданный выход предложил американский физик Эльзассер. А не намагничивается ли земной шар электрическими токами, которые текут в его жидком металлическом ядре? Эльзассер считал, что природа «устроила» идеальные условия для возникновения электродвижущей силы в земном ядре. Температура там, в зависимости от глубины, может быть разной. Различны могут быть и контакты между металлами. Вот вам и причины для возникновения термотоков. Ведь что это такое по сути дела? Это токи, которые возникают именно при контактах разнородных металлов, находящихся при различных температурах. В конце концов струи расплавленного металла и токи в них должны создать могучие потоки, охватывающие земную ось, и породить мощное магнитное поле.

Но как раз на этом этапе рассуждения в стройную гипотезу вмешивались скептики.

Они предлагали подтвердить выводы расчетами.

Для этого следовало в точности знать движение жидкой оболочки ядра, его состав и сопротивление… В общем, гипотеза Эльзассера носила лишь качественный характер, не поддаваясь никаким расчетам. Правда, зря она не пропала. Новый подход к решению проблемы предложил советский физик Я. И. Френкель. К тому времени почти все геофизики соглашались с тем, что внешняя оболочка ядра, так же как и само ядро, обладает отличной электропроводностью. Поэтому движение жидкости внешнего слоя и несовпадающее с ним вращение внутренней части ядра должны напоминать движение проводника в магнитном поле, как это происходит в обыкновенной динамо‑машине. Я напомню принцип работы электрического генератора.

Прежде всего любой генератор состоит из двух главных частей: неподвижного – статора и подвижного – ротора. Магниты статора создают начальное магнитное поле. Когда витки провода, намотанного на ротор, пересекают силовые линии магнитного поля, в проводе появляется небольшой электрический ток. Он создает свое магнитное поле, которое усиливает поле статора. А усилившееся поле, в свою очередь, увеличивает ток ротора. С каждым оборотом, как лавина, скатывающаяся с горы, магнитное поле генератора нарастает, пока не достигнет своего заданного и заранее рассчитанного инженерами значения. С этого момента генератор включается в нормальный режим.

А не так ли работает и ядро Земли? Ведь слабое изначальное магнитное поле наша планета может себе создать хотя бы за счет вращения. А дальше это поле уже усиливается по принципу динамо‑машины.

Это предположение получило название «динамотеории» и в дальнейшем разрабатывалось и уточнялось многими исследователями. Ее результаты сравнивались с результатами опытов. Сегодня, пожалуй, можно сказать, что динамотеория не единственно возможная гипотеза, но по уровню современных знаний о внутреннем строении Земли она вполне удачна.

В наши дни геомагнитные исследования приобрели невиданный размах. За последние десять – пятнадцать лет ученые накопили столько сведений, сколько не могли собрать за все прошедшее время. И нет сомнения, что ответ на вопрос «Почему Земля – магнит?» теперь уже не за горами.