ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТА

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока. О связи электрических и магнитных явлений говорили многие факты, наблюдавшиеся, в частности, при ударах молнии в компас: магнитная стрелка перемагничивалась. В 1775 г. два английских корабля шли параллельным курсом из Лондона на запад и на широте Бермудских островов попали в сильный шторм с грозой. В один из кораблей ударила молния, сломавшая мачту и порвавшая паруса. Капитан второго судна, которое не пострадало, с удивлением увидел, что первое судно почему‑то повернуло назад и направляется в Англию. После проверки компасов обоих судов было установлено, что полярность стрелки компаса пострадавшего корабля изменилась на противоположную, и капитан судна полагал, что он плывет на запад, а в действительности плыл на восток, в Англию.

Первым ученым, убедительно показавшим связь между электричеством и магнетизмом, был Г.Х. Эрстед. Хотя, как уже отмечалось, значительно ранее эту связь обнаружил Д. Романьози [1.1; 1.6].

Г.Х. Эрстед, будучи доктором философии, размышляя о взаимодействии различных физических явлений, пришел к заключению, что должна быть связь между теплотой, светом, магнетизмом и электричеством. Еще в 1812 г. в одном из своих трудов Г.Х. Эрстед высказывал предположение о связи между электрическими и магнитными явлениями: «Следует испробовать, не произведет ли электричество в своей самой скрытой стадии каких‑либо действий на магнит как таковой». Поэтому когда во время его лекции студентам Копенгагенского университета он демонстрировал нагревание проволоки электрическим током и стрелка компаса, случайно находившегося рядом, отклонилась, Г.Х. Эрстед убедился в справедливости своей давней догадки.

В 1820 г. после дополнительных экспериментов Г.Х. Эрстед опубликовал результаты своих наблюдений действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшее углубление и развитие. Небольшая брошюра (менее пяти страниц) Г.Х. Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» произвела сенсацию среди европейских физиков. Секретарь Парижской академии наук Д.Ф. Араго, узнав об опытах Г.Х. Эрстеда, воскликнул: «Господа! Произошел переворот!».

Заслуживает внимания заключение Г.Х. Эрстеда о том, что «электрический конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отрицательной «электрической материи») в проводнике «… не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вокруг этой проволоки …. Этот конфликт «образует вихрь вокруг проволоки» (курсив мой – Я.Ш.). Очевидно, конечно, что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разнородных электричеств. Но дорога к новым открытиям для других ученых была уже проложена!

Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган Х.С. Швейггер (1779–1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора – индикатора тока. Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 2.8) [1.6].

^{Рис. 2.8. Схема мультипликатора Швейггера}

Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. А. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно, с полюсами, обращенными в противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леонардо Нобили (1784–1835 гг.) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и построил таким образом более чувствительный прибор – прообраз гальванометра.

В 1820 г. Д.Ф. Араго было обнаружено новое явление – намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали; при выключении тока опилки падали. Когда Д.Ф. Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации А. Ампера Д.Ф. Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помешенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Д.Ф. Араго дали первое указание на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током [1.6].

В процессе своих исследований Д.Ф. Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения», правильное объяснение которого, как будет показано далее, было дано М. Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774–1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791–1841 гг.) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они в 1820 г. установили следующее: если неограниченной длины провод с проходящим по нему током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода и общее действие провода на любой, южный или северный, магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию от последнего до провода. Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита.

Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749–1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых – Андре Мари Ампера (1775–1836 гг.), заложившие основы электродинамики [1.1; 1.6; 2.3].

А. Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком и, несмотря на плохое состояние здоровья, сумел найти в себе силы, чтобы неустанно заниматься фундаментальными научными исследованиями и сделать немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации.

Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительные способности А. Ампера.

Он впервые узнал об опытах Г.Х. Эрстеда на заседании Парижской академии наук, где их повторил во время своего сообщения Д.Ф. Араго. Вместе с восхищением А. Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений. И ровно через неделю 18 сентября 1820 г. А. Ампер выступает на заседании академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд – неделю за неделей (заседания Парижской академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.

В одном из писем А. Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».

Поразительна логика его обобщений: если ток – это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до А. Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили А. Амперу теоретически обобщить результаты своих исследований и сформулировать известный закон, носящий его имя.

Рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма.

Отметим прежде всего, что А. Ампером впервые были введены термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление движения «положительного электричества».

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием тока в проводнике, А. Ампер сформулировал правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правило пловца».

^{Рис. 2.9. Станок Ампера}

^{1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник}

Особенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.

Открыв взаимодействие круговых проводников с током, А. Ампер начал исследование взаимодействия линейных проводников с токами. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 2.9), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное. Серия опытов этого рода позволила А. Амперу открыть закон взаимодействия линейных проводников с токами: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления А. Ампер предложил назвать электродинамическими в отличие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, А. Ампер установил математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов подобно тому, как это сделал Ш. Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу А. Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов И. Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом А. Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый труд А. Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.

Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826–1827 гг.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, А. Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, А. Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой‑либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако А. Ампер предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв …, помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по‑видимому, помешало практической реализации предложения А. Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.

Значение работ А. Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями А. Ампер доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

Выдающийся вклад А. Ампера получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер» [1.6].