Взаємодія електричного струму та магніту. Розробка основ електродинаміки

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

>Невелика (менше 5 сторінок) брошура Ерстеда «Досліди щодо дії електричного конфлікту на магнітну стрілку» справила сенсацію серед європейських фізиків.

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

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

Незабаром після опублікування цієї брошури (1820 р.) німецький фізик Йоган X. С. Швейггер (1779–1857 рр.) запропонував використовувати відхилення магнітної стрілки електричним струмом для створення першого вимірювального приладу — індикатора струму.

Його прилад, що отримав назву «мультиплікатора» (тобто множить) був магнітною стрілкою, поміщеною всередині рамки, що складається з витків дроту. Однак унаслідок впливу земного магнетизму на магнітну стрілку мультиплікатора його показання були неточними.

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

У 1825 р. флорентійський професор Леопольдо Побілі (1784—1835 рр.) скомбінував астатичну пару з мультиплікатором і влаштував таким чином чутливіший прилад — прообраз гальванометра.

У 1820 р. Д. Ф. Араго було виявлено нове явище — намагнічування провідника струмом, що протікає по ньому. Якщо мідний дріт, з'єднаний з полюсами вольтова стовпа, занурювався в залізну тирсу, то останні рівномірно до неї прилипали. При вимиканні струму тирсу відставали. Коли Ара го брав замість мідного дроту залізний (з м'якого заліза), то він тимчасово намагнічувався. Шматок стали за такого намагнічування ставав постійним магнітом.

За рекомендацією Ампера Араго замінив прямолінійний дріт дротяною спіраллю, при цьому намагнічування голки, поміщеної всередині спіралі, посилювалося. Так було створено соленоїд. Досліди Араго вперше довели електричну природу магнетизму та можливість намагнічування стали електричним струмом.

У процесі досліджень Араго виявив (1824 р.) ще одне нове явище, назване ним «магнетизмом обертання» і яке полягало в тому, що при обертанні металевої (мідної) пластини, що знаходиться над магнітною стрілкою (або під нею), остання також приходить у обертання. Пояснити це не змогли ні сам Араго, ні Ампер. Правильне пояснення цього явища було дано Фарадеєм лише 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.) та Феліксом Саваром (1791 — 1841 рр.) закону дії струму на магніт .

Провівши низку експериментів, вони встановили (1820 р.) наступне: «якщо необмеженої довжини провід з вольтовим струмом, що проходить по ньому, діє на частину північного або південного магнетизму, що знаходиться на певній відстані від середини проводу, то рівнодіюча всіх сил, що виходять із дроту, спрямована перпендикулярно до найкоротшої відстані частинки від дроту, і загальна дія дроту на будь-який (південний або північний) магнітний елемент обернено пропорційно відстані останнього до дроту».

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

Найважливіше наукове та методологічне значення у розширенні дослідження нових явищ мали праці одного з найбільших французьких учених — Андре Марі Ампера (1775—1836 рр.), які 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 — дуже освіченого комерсанта, він з разючою завзятістю, самостійно опановуючи знання, став одним з найосвіченіших людей свого часу.


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

Особисте життя Ампера було сповнене трагічних подій: 18-річним юнаком, він був вражений стратою на гільйотині його батька, як прихильника жирондистів (1793 р.), через кілька років він поховав кохану дружину; дуже сумною була доля його дочки — це викликало серйозну серцеву хворобу, яка звела його до могили.

Але незважаючи на величезну нервову напругу, Ампер зумів знайти в собі сили, щоб невпинно займатися фундаментальними науковими дослідженнями та зробити незгасаючий внесок у скарбницю світової цивілізації.

Його дослідження в галузі електромагнетизму відкрили нову сторінку в історії електротехніки. І щодо цих явищ яскраво проявилися разючі здібності Ампера.

Він уперше 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 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 поспіль — тиждень за тижнем (засідання Академії наук проводилися щотижня. ) він викладає перед найбільшими французькими вченими результати своїх експериментальних та теоретичних узагальнень, які пізніше були відображені у його знаменитій праці з електродинаміки.

В одному з листів Ампер наголошує, що він «створив нову теорію магніту, яка зводить усі явища до явищ гальванізму». Вражаюча логіка його узагальнень: якщо струм — це магніт, то два струми повинні взаємодіяти подібно до магнітів. Тепер це здається очевидним, але до Ампера ніхто так чітко цього не вказав. Блискучі знання в галузі 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 аналітичний виклад природної класифікації всіх людських знань» (1834 р.). Нині видано багато робіт, присвячених наукознавству «науці науках». Своєю «Класифікацією» Ампер понад сто років тому заклав основи цієї важливої галузі наукових знань.

Розглянемо докладніше роботи Ампера в галузі електромагнетизму.

Зазначимо насамперед, що Ампером вперше було введено термін «електричний струм» та поняття про напрям електричного струму. До речі, це він запропонував вважати за напрямок струму "рух позитивної електрики" (Від плюсу до мінуса в зовнішньому ланцюзі).

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

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

Особливо важливе значення мали дослідження Ампером взаємодій кругових та лінійних струмів. До цих досліджень він підійшов, ґрунтуючись на наступних міркуваннях: якщо магніт за своїми властивостями аналогічний котушці або кільцевому провіднику, що обтікає струмом, то два кругових струми повинні діяти один на одного подібно до двох магнітів.

Відкривши взаємодію кругових струмів, Ампер розпочав дослідження лінійних струмів. З цією метою він побудував так званий верстат Ампера, в якому один провідник міг змінювати положення щодо іншого провідника. У ході цих дослідів було встановлено, що два лінійних струми притягують або відштовхують один одного залежно від того, чи мають струми однаковий напрямок чи різний.

Серія цих дослідів дозволила Амперу встановити закон взаємодії лінійних струмів. Виявлені явища Ампер запропонував назвати "електродинамічними" на відміну електростатичних явищ.

Узагальнюючи результати своїх експериментальних робіт, Ампер вивів математичний 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 мас два елементи струму, довільно розташованих в просторі. При цьому Ампер припустив, що взаємодія елементів струму відбувається по прямій, що з'єднує середини цих елементів, що пропорційно довжині елементів струму і самим струмам. Перший мемуар Ампера про взаємодію електричних струмів було опубліковано в 1820 р.

Електродинамічна теорія Ампера викладена ним у творі "Теорія електродинамічних явищ, виведена виключно з досвіду", виданого в Парижі в 1826—1828 рр. Ампером було виведено відоме математичне вираз закону взаємодії між двома елементами струму.

Опираючись на праці попередників, а також на важливі результати своїх досліджень, Ампер дійшов принципово нового висновку про причину явищ магнетизму.

Заперечуючи існування особливих магнітних рідин, Ампер стверджував, що магнітне поле має електричне походження. Усі магнітні явища зводилися їм до «чисто електричних дій». Ґрунтуючись на тотожності дії кругових струмів і магнітів, Ампер дійшов висновку про те, що магнетизм будь-якої частинки обумовлений наявністю кругових струмів у цій частинці, 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, швидше, що намагнічування є операцією, за допомогою якої часткам стало повідомлятися властивість збуджувати для цих струмів таку ж електрорушійну дію, яка є у вольтовому стовпі... Магнітні явища викликаються виключно електрикою ... немає жодної різниці між двома полюсами магніту, як їхнє положення щодо струмів, з яких цей магніт складається».

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

Ампером у 1820 р. була висловлена думка про можливість створення електромагнітного телеграфу, заснованого на взаємодії провідника зі струмом та магнітної стрілки. Однак Ампер пропонував взяти «стільки провідників і магнітних стрілок, скільки є букв..., поміщаючи кожну букву на окремій стрілці». Очевидно, що подібна конструкція телеграфу була б дуже громіздкою та дорогою, що, мабуть, завадило практичній реалізації пропозиції Ампера. Потрібен був деякий час 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 уявлення про магнітну рідину, що панували до нього. Встановлені ним закони механічної взаємодії електричних струмів належать до найбільших відкриттів у галузі електрики.

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