Взаємодія електричного струму і магніту. Розробка основ електродинаміки

Розширенняі поглиблення досліджень електричних явищ привели до відкриття і вивченнянових властивостей електричного струму. У 1820 р. були опубліковані і продемонстровані досліди Г. X. Ерстеда по спостереженню дії струму на магнітну стрілку, порушиливеликий інтерес серед учених різних країн і отримали в їхніх працях подальшіпоглиблення і розвиток.

Невелика(Менше 5 сторінок) брошура Ерстеда В«Досліди, що стосуються дії електричногоконфлікту на магнітну стрілку В»викликала сенсацію серед європейських фізиків.

Заслуговуєуваги висновок Ерстеда про те, що В«електричний конфліктВ» (тобто зустрічнарух позитивної і негативної В«електричної матеріїВ») в провідникуВ«... Не обмежений провідної дротом, але має обширну сферу активностінавколо цього дроту ... Цей конфлікт утворює вихор навколо дроту В».

Очевидно,що Ерстед помилявся, вважаючи, що на магнітну стрілку дієзіткнення різнорідних електрики. Але про зв'язок між електричними і магнітнимиявищами Ерстед висловлював припущення в одній зі своїх праць, виданому щев 1812 р.: В«Слід випробувати, не виробляє чи електрику в своїй самоїприхованої стадії небудь дій на магніт, як такої В».

Незабаромпісля опублікування цієї брошури (в 1820 р.) німецький фізик Йоганн X. С. Швейггера (1779-1857 рр..) Запропонував використовувати відхилення магнітної стрілкиелектричним струмом для створення першого вимірювального приладу - індикатораструму.

Йогоприлад, що отримав назву В«мультиплікатораВ» (тобто помножуючого) представлявсобою магнітну стрілку, вміщену всередині рамки, що складається з витківдроту. Однак внаслідок впливу земного магнетизму на магнітну стрілкумультиплікатора його свідчення були неточними.

Амперв 1821 р. показав можливість усунення впливу земного магнетизму за допомогоюастатичними пари, що представляє собою дні магнітні стрілки, укріплені назагальної мідної осі й розташовані паралельно один одному, з полюсами, оберненимив протилежні сторони.

В1825 флорентійський професор Леопольдо Побили (1784-1835 рр..) Скомбінувавастатична пару з мультиплікатором і влаштував таким чином більш чутливийприлад - прообраз гальванометра.

В1820 Д. Ф. Араго було виявлено нове явище - намагнічування провідникапротікає по ньому струмом. Якщо мідний дріт, поєднана з полюсамивольтова стовпа, поринала в залізні ошурки, то останні рівномірно до неїприлипали. При виключенні струму тирсу відставали. Коли Ара го брав замістьмідного дроту залізну (з м'якого заліза), то вона тимчасово намагнічується.Шматочок стали при такому намагнічуванні ставав постійним магнітом.

Зарекомендації Ампера Араго замінив прямолінійну дріт дротяної спіраллю,при цьому намагнічування голки, вміщеній всередині спіралі, посилювалося. Так бувстворений соленоїд. Досліди Араго вперше довели електричну природу магнетизмуі можливість намагнічування стали електричним струмом.

Впроцесі досліджень Араго виявив (в 1824 р.) ще одне нове явище, назване їм В«магнетизмом обертанняВ» і полягало в тому, що при обертанніметалевої (мідної) пластини, що знаходиться над магнітною стрілкою (або підній), остання також приходить в обертання. Пояснити це явище не змогли нісам Араго, ні Ампер. Правильне пояснення цього явища було дано Фарадеємтільки після відкриття явища електромагнітної індукції.

Новимкроком від якісних спостережень дії струму на магніт до визначеннякількісних залежностей стало встановлення французькими вченими ЖаномБатистом Біо (1774 - 1862 рр..) І Феліксом Саварен (1791 - 1841 рр..) Законудії струму на магніт.

Провівширяд експериментів, вони встановили (1820 р.) наступне: В«якщо необмеженої довжини дріт з проходящнм по ньому вольта струмом діє на частинкупівнічного або південного магнетизму, що знаходиться на відомій відстані від серединидроти, то рівнодіюча всіх сил, що виходять з дроту, спрямованаперпендикулярно до найкоротшій відстані частинки від проводу, і загальну діюдроти на будь-який (південний йди північний) магнітний елемент обернено пропорційновідстані останнього до проводу В».

Виявленнятангенціальної складової сили дозволило пояснити обертальний характерруху провідника щодо магніту. Французький вчений П'єр Симон Лаплас(1749-1827 рр..) Показав згодом, що сила дії, створювана невеликимділянкою провідника, змінюється обернено пропорційно квадрату відстані.

Найважливішенаукове і методологічне значення в розширенні дослідження нових явищмали праці одного з найбільших французьких учених - Андре Марі Ампера(1775-1836 рр..), Які заклали основи електродинаміки.

Ампербув незвичайно обдарованим від природи людиною. Незважаючи на те що йому недовелося вчитися в школі, у нього не було вчителів, крім його батька - вельмиутвореного комерсанта, він з разючою завзятістю, самостійноопановуючи знаннями, став одним з найосвіченіших людей свого часу.

Фізикаі математика, астрономія та хімія, зоологія та філософія - у всіх цих наукахяскраво проявилися енциклопедичні знання Ампера. Йому було всього 13 років, коливін представив у Ліонську Академію наук, літератури і мистецтва свою першуматематичну роботу. До 14 років він вивчив усі 20 томів знаменитоїВ«ЕнциклопедіїВ» Дідро і Д'Аламбера, а до 18-ти - досконало вивчив праці Л.Ейлера, Д. Боріуллі і Ж. Лагранжа, знав латинь і кілька іноземних мов.

Особистажиття Ампера була сповнена трагічних подій: 18-річним юнаком, він був враженийстратою на гільйотині його батька, як прихильника жирондистів (1793 р.), через кілька років він поховав кохану дружину; вельми сумною була доля його доньки -це викликало серйозну серцеву хворобу, яка звела його в могилу.

Аленезважаючи на величезну нервову напругу, Ампер зумів знайти в собі сили, щобневпинно займатися фундаментальними науковими дослідженнями і зробитинемеркнучий внесок у скарбницю світової цивілізації.

Йогодослідження в області електромагнетизму відкрили нову сторінку в історіїелектротехніки. І при вивченні цих явищ яскраво проявилися вражаючіздатності Ампера.

Вінвперше дізнався про досліди Ерстеда на засіданні Паризької Академії наук, де їхповторив під час свого повідомлення Араго. Разом із замилуванням Ампер інтуїтивновідчув важливість цього відкриття, хоча раніше він не займався вивченнямелектромагнітних явищ.

Ірівно через тиждень (всього через тиждень!) 18 вересня 1820 Ампер виступає на засіданні Академії з доповіддю про взаємодію струмів і магнітів, а потіммайже поспіль - тиждень за тижнем (засідання Академії наук проводилисьщотижня) він викладає перед найбільшими французькими вченими результатисвоїх експериментальних і теоретичних узагальнень, які пізніше буливідображені в його знаменитій праці з електродинаміки.

Водному з листів Ампер підкреслює, що він В«створив нову теорію магніту, що зводитьвсі явища до явищ гальванізму В». Разюча логіка його узагальнень: якщоток - це магніт, то два струму повинні взаємодіяти подібно магнітів. Теперце здається очевидним, але до Ампера ніхто так чітко на це не вказав. Блискучіпізнання в галузі математики дозволили Амперу теоретично узагальнити своїдослідження та сформулювати відомий закон, що носить його ім'я.

Заслуговуєуваги філософську працю Ампера В«Досвід філософії наук, або аналітичневиклад природної класифікації всіх людських знань В»(1834 р.). У наш час видано багато праць, присвячених наукознавства В«науці про наукахВ». СвоєїВ«КласифікацієюВ» Ампер більше ста років тому заклав основи цієї важливої вЂ‹вЂ‹областінаукових знань.

Розглянемобільш детально роботи Ампера в області електромагнетизму.

Відзначимоперш за все, що Ампером вперше були введено термін В«електричний струмВ» тапоняття про направлення електричного струму. До речі, це він запропонував вважати занапрямок струму "рух позитивного електрики" (від плюса домінусу у зовнішній ланцюга).

Спостерігаючивідхилення магнітної стрілки під впливом протікає по провіднику струму, Амперзумів сформулювати правило, що дозволяє визначити напрямок відхил...еннястрілки в залежності від напрямку струму в провіднику.

Цеправило було в той час широко відоме під назвою В«правила плавцяВ» іформулювалося воно наступним чином: В«Якщо подумки розташуватися людинітак, щоб струм проходив па напрямку від ніг спостерігача до голови і щоб особайого було звернене до магнітною стрілкою, то під впливом струму північний полюсмагнітної стрілки завжди буде відхилятися вліво В».

Особливоважливе значення мали дослідження Ампером взаємодій кругових і лінійнихструмів. До цих досліджень він підійшов, грунтуючись на наступних міркуваннях:якщо магніт по своїх властивостях аналогічний котушці або кільцевому провіднику, обтічнимструмом, то два кругових струму повинні діяти один на одного подібно двоммагнітам.

Відкрившивзаємодія кругових струмів, Ампер почав дослідження лінійних струмів. З цієюметою він збудував так званий В«верстат АмпераВ», в якому один провідник мігзмінювати положення щодо іншого провідника. В ході цих дослідів буловстановлено, що два лінійних струму притягує або відштовхують один одного вЗалежно від того, чи мають струми однакове напрямок або різне.

Серіяцих дослідів дозволила Амперу встановити закон взаємодії лінійних струмів:"Два паралельних і однаково спрямованих струму взаємно прибиваються, міжтим як два паралельних і протилежно спрямованих струму взаємновідштовхуються ". Виявлені явища Ампер запропонував назвати"Електродинамічними" на відміну від електростатичних явищ.

Узагальнюючирезультати своїх експериментальних робіт, Ампер вивів математичний вираздля сили взаємодії струмів подібно до того, як це зробив Кулон по відношенню довзаємодії статичних зарядів. Цю задачу Ампер вирішив аналітичнимприйомом, виходячи з принципів Ньютона про взаємодію мас і уподібнюючи циммасам два елементи струму, довільно розташованих в просторі. При цьомуАмпер припустив, що взаємодія елементів струму відбувається по прямій, що сполучаєсередини цих елементів, і що воно пропорційно довжині елементів струму і самимструмам. Перший мемуар Ампера про взаємодію електричних струмів бувопублікований в 1820 р.

Електродинамічнатеорія Ампера викладена ним у творі "Теорія електродинамічних явищ,виведена виключно з досвіду ", виданому в Парижі в 1826-1827 рр..Ампером було виведено відоме математичне вираження закону взаємодіїміж двома елементами струму.

Спираючисьна праці попередників, а також на важливі результати своїх досліджень, Амперприйшов до принципово нового висновку про причину явищ магнетизму.

Заперечуючиіснування особливих магнітних рідин, Ампер стверджував, що магнітне полемає електричне походження. Всі магнітні явища зводились їм до В«чистоелектричним діям В». Грунтуючись на тотожність дії кругових струмів імагнітів, Ампер прийшов до висновку про те, що магнетизм небудь частинкиобумовлений наявністю кругових струмів в цій частці, а властивості магніту в ціломуобумовлені електричними струмами, розташованими в площинах, перпендикулярнихдо його осі.

Амперпідкреслював, що В«... ці струми навколо осі магніту реально існують, або, скоріше,що намагнічування є операцією, за допомогою якої часткам сталоповідомлятися властивість збуджувати для цих струмів таке ж електрорушійної дію,яке мається на вольтовом стовпі ... Магнітні явища викликаються виключноелектрикою ... немає ніякої різниці між двома полюсами магніту, як їхположення щодо струмів, з яких цей магніт складається В».

РозробленаАмпером гіпотеза молекулярних струмів стала новим прогресивним крокомна шляху до матеріалістичної трактуванні природи магнітних явищ.

Амперомв 1820 р. була висловлена ​​думка про можливість створення електромагнітноготелеграфу, заснованого на взаємодії провідника зі струмом і магнітноїстрілки. Однак Ампер пропонував взяти В«стільки провідників і магнітних стрілок,скільки є літер ..., поміщаючи кожну букву на окремій стрілці В». Очевидно, щоподібна конструкція телеграфу була б вельми громіздкою і дорогою, що, мабуть,завадило практичної реалізації пропозиції Ампера. Знадобилося деякийчас для того, щоб знайти більш реальний шлях створення телеграфу.

Значенняробіт Ампера для науки було вельми велике. Своїми дослідженнями Ампер довівєдність електрики і магнетизму і переконливо спростував панували до ньогоуявлення про магнітної рідини. Встановлені ним закони механічноговзаємодії електричних струмів належать до числа найбільших відкриттів вобласті електрики.

Видатнийвнесок Ампера отримав найвищу оцінку (в 1881 р.). Перший Міжнародний конгрес електриків присвоїв одиниці сили струму найменування В«АмперВ».Його заслужено називали В«Ньютоном електрикиВ». Він був членом ПаризькоїАкадемії наук (з 1814 р.), і багатьох інших Академій світу, в тому числі іПетербурзької (з 1830 р.).

Список літератури

ВеселовськийО. Н. Шнейберг А. Я "Нариси з історії електротехніки"

Дляпідготовки даної роботи були використані матеріали з сайту .electrolibrary.info