Створення теорії електромагнетизму

Можливість отримувати постійний електричний струм поклала початок процесу об’єднання електричних і магнітних взаємодій, які з часів Гільберта розглядалися як незалежні один від одного, в єдине електромагнітне взаємодія. Це сталося 21 липня 1820, коли в Копенгагені вийшла латинською мовою брошура доктора філософії Ерстеда “Досліди, що стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку”. Автор розіслав брошуру в усі наукові установи та фізичні журнали, підкресливши важливість відкриття. Були всі можливості, щоб зробити це відкриття раніше. Для відкриття були необхідні джерела постійного струму і індикатори магнітного поля. Магнітна стрілка була відома давно, вольтів стовп – з 1800 р Незабаром були побудовані батареї постійного струму. Проте пошуки зв’язку між електрикою і магнетизмом пішли по неправильному шляху, тому що в основі лежала гіпотеза Ріттера, що угледів велику схожість між магнітом і розімкнутої батареєю. Позитивний полюс батареї він розглядав як північний полюс, а негативний – як південний. Він намагався виявити взаємодію між полюсом магніту і полюсом батареї.

Інтерес Ріттера до зв’язку хімізму, гальванизма і магнетизму проявився вже в 1797 р, але перша опублікована на цю тему робота відноситься до 1802 У цій роботі він писав про те, що, як йому здавалося, можна отримати гальванічні явища, використовуючи дві однакові залізні голки, одна з яких намагнічена, а інша – ні. Так як цілком надійних результатів отримано не було, то він тільки згадав про це в статті “Про хімічні властивості магнетизму та їх зв’язку з гальванізм” (1802 г.). У примітці до роботи Ріттер зазначив, що в експерименті брав участь Ханс Крістіан Ерстед (1777-1851), який у цей час перебував у трирічної відрядженні в Єни. Молодий Ерстед, володар двох дипломів: фармацевта і доктора філософії, зацікавився зв’язком між електрикою і магнетизмом. У 1805 р Ріттер описав досліди, в яких він виявив орієнтацію стрілки, один кінець якої був зроблений з цинку, інший – зі срібла, уздовж магнітного меридіана, а також невелика тяжіння і відштовхування при наближенні до цієї стрілкою магніту. Можна було б пояснити це виникненням місцевих струмів в стрілкою, якщо вона була вологою, і тоді Ріттер виявився б попередником Ерстеда, але він вважав, що це, швидше за все, викликано домішками заліза в стрілкою. У Ганновері Мунка і Грюнер побудували потужну магнітну батарею, аналогічну вольтову стовпа, щоб виявити її дію на маленькі рухливі гальванічні елементи, але не отримали очікуваного результату. У 1805 р Ж. Н. Ашетт (1769-1836) і Ш. Б. Дезорм (1777-1802) намагалися виявити поворот ізольованого гальванічного елемента в магнітному полі. Негативний результат цих дослідів знизив інтерес фізиків до встановлення зв’язку між електрикою і магнетизмом.
Дещо по-іншому був поставлений це питання в Італії професором Болонського університету, племінником Гальвані Дж. Альдіні. Він грунтувався на певних наукових фактах. Існування зв’язку між електрикою і магнетизмом він вважав доведеним на підставі дослідів Епінуса, Ван Свіндена, Кавалло і Кулона, в яких була виявлена ​​зміна полярності стрілок магнітного компаса блискавкою. Орієнтуючись, мабуть, саме на ці спостереження, він поставив досвід так, щоб піддати стовп повітря дії гальванічного струму. У батареї з 50 пар мідних і цинкових пластинок були пророблені отвори d = 1,5 дюйма. У циліндричну порожнину всередині стовпа він поміщав ненамагніченого сталеві стрілки (з метою виявити намагнічування гальванізм) і намагнічені голки, щоб з’ясувати, чи буде змінюватися їх полярність. Альдіні іноді вдавалося помітити намагнічування голок, але занадто швидке окислення металів і необхідність часто розбирати прилад не дозволила отримати надійні результати. Далі він описує досвід можон (1772-1836), який намагнітив сталеві голки, пропускаючи через них струм від батареї з 100 елементів протягом 20 днів. Мабуть, намагнічування відбувалося за рахунок магнітного поля, створюваного струмом в сполучних проводах. У статті опис своїх дослідів і дослідів можон і Романьозі він робить дрібним шрифтом, як згадка про цікавих, але не цілком надійних спостереженнях, а не як про відкриття.

Особливе місце займає досвід Романьозі. Тут вольтів стовп складався з мідних і цинкових дисків, прокладених змоченими розчином нашатирю пластинами фланелі. До стояку приєднувалася срібний дріт, складена з окремих ланок. Остання ланка проходило через скляну трубку, з зовнішнього боку якої виходила гудзик А зі срібла. Магнітна стрілка розташовувалася на ізольованій підставці. Контакт гудзики з магнітною стрілкою викликав відхилення. При порушенні контакту стрілка зберігала це положення. Романьозі був у владі ідеї Ріттера, він досліджував дію розімкнутої батареї на магнітну стрілку, але оскільки він торкався рукою до гудзичку і відводив струм через своє тіло в землю, то ланцюг виявлялася замкнутою. Однак Романьозі цього не розумів, він не досліджував дію струму на магнітну стрілку. Але об’єктивно його досвід був близький до досвіду Ерстеда.
Таким чином, в перші ж роки після винаходу вольтова стовпа спостереження дії струму на магнітну стрілку і намагнічування струмом сталевих предметів було не тільки теоретично можливо, але фактично мало місце. Тим не менш, відкриття електромагнетизму відбулося лише через 20 років. Причини цього:
1. Увага більшості фізиків, що займаються електрикою, була прикута до електрохімічним проблемам.
2. Головна причина – невідповідність робочих гіпотез дійсному характеру електромагнітної взаємодії. Експериментатори шукали механічні взаємодії полюсів батарей і магнітних полюсів, що було безнадійно. При цьому вони вважали, що не існує інших сил, крім центральних.
3. Невдачі філософів-фізиків у встановленні спорідненості електрики і магнетизму і підсилюються розбіжності між натурфілософією і експериментальною наукою у зв’язку з небажанням філософів рахуватися з фактами повинні були відштовхнути фізиків від подальших досліджень.
4. Необхідний був сильний струм, щоб помітити ефект.

У досвіді Ерстеда використовувалася батарея з 20 ящикових елементів з площею електродів 100 квадратних дюймів (приблизно 600 см2). Ерстед так описує зроблене ним відкриття: “Перші досліди з питання, що розглядається в цьому працю, пов’язані з лекціями про електрику, гальванізму і магнетизм, що читаються мною минулої зими. Основний висновок з цих дослідів полягає в тому, що магнітна стрілка відхиляється від свого положення рівноваги під дією вольтаніческого апарату, і що цей ефект проявляється, коли контур замкнутий, і не проявляється, коли контур залишався розімкнутим. Саме тому, що контур залишався розімкнутим, не увінчалися успіхом досліди такого ж роду, зробленими кілька років тому відомими фізиками. Гальванічний апарат, який використовував Вольта, складався з 21 елемента Cu-Zn і водяного розчину H2SO4. Протилежні кінці гальванічного апарата з’єднувалися дротом – провідником. “Дії, які відбуваються в цьому провіднику і в окрузі його простору, ми назвемо електричним конфліктом”. Прямолінійний ділянку цього дроту паралельний магнітної стрілкою. Магнітна стрілка змінює своє положення. Природа провідника байдужа. Досліджували Pt, Au, Ag, Fe, латунь, скло, метали, дерево, воду. Стрілка, зроблена з ненамагніченого металу, не відхиляється. “Із спостережень, які я провів, можна зробити висновок, що цей конфлікт створює, крім того, вихрові руху. Я переконаний, що в цих рухах буде знайдено пояснення явища поляризації світла” 9.
Робота привернула увагу багатьох вчених. Такий успіх пояснювався рядом причин.
1. Було встановлено зв’язок між двома групами явищ, які з часів Гільберта вважалися принципово різними.
2. Був відкритий новий тип взаємодії, досі фізика знала лише центральні сили.
3. Відкриття дозволяло побудувати чутливий індикатор електричного поля.
4. Нова взаємодія містило зерно майбутніх технічних додатків електричної сили.

У серпні 1820 в Женеві відбувався з’їзд природознавців і лікарів, на якому женевський фізик Огюст де ла Рів демонстрував весь комплекс дослідів Ерстеда. Досліди справили велике враження. Член Паризької Академії наук Араго, який брав участь у роботі з’їзду, повернувшись, розповів про досліди на засіданні академії і негайно приступив до дослідження відкритого Ерстед ефекту. У вересні 1820 Араго зібрав установку з вертикальним провідником струму, що проходить крізь горизонтально розташований картон, посипаний залізними тирсою, але кіл із залізних тирси він не побачив. Експериментатори стали їх бачити лише після Фарадея, який ввів уявлення про магнітних силових лініях. Воістину нерідко, щоб побачити щось, потрібно дуже бажати цього. Араго ж бачив, що провідник “обклеюється залізними тирсою так, як якщо б це був магніт”, з чого він зробив висновок, що струм викликає магнетизм в залозі, яке не піддавалося намагничиванию.
У тому ж 1820 Біо зачитав дві доповіді (30 жовтня та 18 грудня), в яких повідомив про результати проведення разом з Саварром експерименту. Намагаючись відкрити закон, що визначає залежність величини електромагнітної сили від відстані, Біо вирішив скористатися методом коливання, яким користувався Кулон. Для цього він зібрав установку, що складається з товстого вертикального провідника, розташованого поруч з магнітною стрілкою. При включенні струму в провіднику стрілка починала коливатися з періодом, що залежать від електромагнітної сили, що діє на полюса при різній відстані від центру стрілки до провідника зі струмом. В результаті було встановлено закон Біо-Саварра. Однак у першій формулюванні не враховував інтенсивності струму. Лаплас, дізнавшись про досліди Біо і Саварра, зауважив, що дія струму можна розглядати як результат дії окремих елементів струму, дія кожного елемента струму. (Це було висловлено Лапласом в усній бесіді, в роботах Лапласа про це не йдеться.) Потім один Біо спробував експериментально визначити, чи змінюється сила зі зміною кута, “утвореного напрямом 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. Шляхом розрахунку Біо визначив, що ця сила пропорційна синус кута.
Ще один учасник засідання інтуїтивно відчув важливість відкриття Ерстеда. Ним був Ампер, який слідом за захопленням відчув непереборне прагнення критично розібратися в нових фактах про взаємодію струмів і магніту. Пройшла всього один тиждень, і 18 вересня 1820 Ампер виступив зі своєю першою доповіддю про магнітно-гальванічних явищах. У цій доповіді він повідомив про відкриття пондеромоторних взаємодій струмів, які він назвав електродинамічними, точніше, у першій доповіді він назвав ці дії “вольтаіческімі тяжіння і відштовхування”, але потім став іменувати їх “тяжіння і відштовхування електричних струмів”. Кажуть, коли Ампер зачитав доповідь, один з його колег запитав: “Що, власне, нового в тому, що Ви сказали? Само собою зрозуміло, що якщо два струму чинять дію на магнітну стрілку, то вони надають дію також один на одного”. Ампер розгубився, але його виручив Араго. Він дістав з кишені два ключі і сказав: “Ось кожен з них теж надає дію на стрілку, проте ж, вони ніяк не діють один на одного”. Розповідають ще й про інший випадок. Лаплас був присутній на першій демонстрації досвіду Ампера. Публіка вже розходилася, але Лаплас дочекався біля виходу асистента Даніеля Колладона і, грюкнувши його по плечу, запитав: “А не Ви це, молода людина, підштовхували дріт?”.

Ампер проводить один досвід за іншим, і на засіданнях Паризької АН слухають його виступу: 25 вересня; 2,9,16, та 30 жовтня; 6 і 13 листопада; 4,11 і 26 грудня 1820 Відразу ж після перших електродинамічних дослідів Ампер вирішив встановити закон взаємодії елементів струму, щоб з цієї формули отримати силу, що діє між двома частинами провідників даної форми і положення. Так як неможливо було проводити експерименти з елементами струму, Ампер в 1820 р спробував провести ретельні і численні експерименти з кінцевими струмами різної форми і положення, потім, прийнявши яку-небудь гіпотезу про взаємодію двох елементів струму, вивести взаємодію двох кінцевих провідників зі струмом і далі модифікувати цю гіпотезу до повної згоди теорії і експерименту. Однак цей спосіб виявився побудованим на суцільних здогадах, тоді як бажані результати можна отримати більш прямим шляхом. Встановивши, що рухомий провідник знаходиться точно в рівновазі під дією рівних сил, що викликаються рухливими провідниками, розміри і форму яких можна без порушення рівноваги змінювати, Ампер отримав можливість безпосередньо розрахувати, яке має бути взаємодія двох елементів струму, щоб рівновагу за таких умов не залежало від форми і розмірів провідників. Розрахунки провідності на основі закону Ньютона – теорії дальнодії. В результаті було встановлено закон механічного взаємодії струмів.
Із закону взаємодії струмів, розглядаючи магніт як систему молекулярних струмів, Ампер вивів перший закон Лапласа і з нього – закон Біо-Саварра. Ампер вивів також закон Кулона для магнітостатіческого взаємодії двох магнітів, що розглядаються як дві струмові системи. Таким чином, був досягнутий перший успіх: він встановив закон механічного взаємодії струмів, вирішивши тим самим проблему магнітної взаємодії.
Відразу ж після відкриття Ерстеда фізикам здалося цілком природним пояснювати його тим, що при проходженні електричного струму через провідник останній стає магнітом. Таке пояснення було прийнято Араго. Воно було прийняте також і Біо, який вперто дотримувався цієї точки зору протягом багатьох років. Однак Ампер запропонував інше пояснення, яке і є самим геніальним його внеском у науку: чи не провідник, по якому тече струм, стає магнітом, а навпаки, магніт являє собою сукупність струмів.
Спочатку під безпосереднім враженням від спостережень досвіду Ерстеда Ампер припустив, що магнетизм Землі спричинений струмами, які обтікають Землю із заходу на схід. Головний крок зроблено – магнітні властивості можна пояснити циркулюючим всередині нього струмом. Далі Ампер перейшов до спільного висновку: магнітні властивості якого тіла визначаються замкнутими електричними струмами всередині нього. Це твердження – свідчення великої наукової сміливості Ампера. Далі Ампер вводить гіпотезу про молекулярні токах. Там, де Кулон бачив нероздільні магнітні полюси, виявилися просто молекули струму. Неподільність магнітних полюсів втратила свою загадковість.
Гіпотеза Ампера була виключно сміливою і тому зустрінута дуже стримано. Гіпотеза Біо і Араго здавалася більш правдоподібною

Але Ампер прагнув знайти підтвердження своєї гіпотези за допомогою експериментів. Він подумав, що якщо магніт розуміти як систему кругових паралельних струмів, спрямованих в один бік, то спіраль з металевого дроту, по якій проходить струм, повинна вести себе як магніт, тобто повинна приймати певне положення в магнітному полі Землі і мати два полюси. Досвід підтвердив припущення щодо поведінки спіралі під дією магніту, але неясними виявилися результати, які стосуються поведінці спіралі в магнітному полі Землі. Тоді Ампер досліджував поведінку одного витка зі струмом, і виявилося, що він поводиться як магнітний листок. Таким чином, виявилося незрозуміле явище. Один-єдиний виток веде себе як магнітна пластина, а спіраль, яку Ампер вважав еквівалентної системі магнітних пластинок, веде себе не зовсім як магніт, точніше, поводиться як прямолінійний провідник з тими ж кінцями. З цього Ампер зробив висновок, що елементи струму можна складати і розкладати за правилом: одна складова елементу струму паралельна осі, а інша – перпендикулярна. Якщо підсумувати результати дії різних елементів спіралі, то результуюча виявиться еквівалентній прямому струму, що йде по осі, і системі кругових струмів, розташованих перпендикулярно осі і спрямованих в одну сторону. Тому, щоб спіраль поводилася як магніт, потрібно компенсувати дію прямолінійного струму. Цього Ампер домігся, вигнувши уздовж осі кінці провідника. Але все ж існувало розходження між спіраллю зі струмом і магнітом: полюса спіралі знаходилися тільки на кінцях, тоді як полюси магніту у внутрішніх точках. Щоб усунути цю відмінність, Ампер припустив, що елементарні струми в магнітах розташовані в площинах, що знаходяться під різними кутами до осі.

(1 votes, average: 5.00 out of 5)