Взаимодействие электрического тока и магнита. Разработка основ электродинамики
Расширение
и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению
новых свойств электрического тока. В
Небольшая (менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку» произвела сенсацию среди европейских физиков.
Заслуживает внимания заключение 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».
Очевидно,
что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует
столкновение разнородных электричеств. Но о связи между электрическими и магнитными
явлениями Эрстед высказывал предположение в одном из своих трудов, изданном еще
в
Вскоре
после опубликования этой брошюры (в
Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из витков проволоки. Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными.
Ампер
в
В
В
По рекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.
В
процессе исследований Араго обнаружил (в
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 установили (
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.
Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на то что ему не довелось учиться в школе, у него не было учителей, кроме его отца — весьма образованного коммерсанта, он с поразительным упорством, самостоятельно овладевая знаниями, стал одним из образованнейших людей своего времени.
Физика и математика, астрономия и химия, зоология и философия — во всех этих науках ярко проявились энциклопедические знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когда он представил в Лионскую Академию наук, литературы и искусства свою первую математическую работу. К 14 годам он изучил все 20 томов знаменитой «Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера, а к 18-ти — в совершенстве изучил труды Л. Эйлера, Д. Бориулли и Ж. Лагранжа, знал латынь и несколько иностранных языков.
Личная
жизнь Ампера была полна трагических событий: 18-летним юношей, он был потрясен
казнью на гильотине его отца, как сторонника жирондистов (
Но несмотря на огромное нервное напряжение, Ампер 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 Ампера.
Он впервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской Академии наук, где их повторил во время своего сообщения Араго. Вместе с восхищением Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений.
И
ровно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября
В одном из писем 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 Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили Амперу теоретически обобщить свои исследования и сформулировать известный закон, носящий его имя.
Заслуживает
внимания философский труд Ампера «Опыт философии наук, или аналитическое
изложение естественной классификации всех человеческих знаний» (
Рассмотрим более подробно работы Ампера в области электромагнетизма.
Отметим прежде всего, что Ампером впервые были введен термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Кстати, это он предложил считать за направление тока "движение положительного электричества" (от плюса к минусу во внешней цепи).
Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике.
Это правило было в то время широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил па направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».
Особенно важное значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейных токов. 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 токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера», в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное.
Серия этих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействия линейных токов: "Два параллельных и одинаково направленных тока взаимно прибиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются". Обнаруженные явления Ампер предложил назвать "электродинамическими" в отличие от электростатических явлений.
Обобщая
результаты своих экспериментальных работ, Ампер вывел математическое выражение
для силы взаимодействия токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к
взаимодействию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитическим
приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим
массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом
Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей
середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим
токам. Первый мемуар Ампера о взаимодействии электрических токов был
опубликован в
Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта", изданном в Париже в 1826—1827 гг. Ампером было выведено известное математическое выражение закона взаимодействия между двумя элементами тока.
Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма.
Отрицая существование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, 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.
Ампер подчеркивал, что «... эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в вольтовом столбе... Магнитные явления вызываются исключительно электричеством ... нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит».
Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
Ампером
в
Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и убедительно опроверг царившие до него представления о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.
Выдающийся
вклад Ампера получил высочайшую оценку (в
Список литературы
Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я "Очерки по истории электротехники"
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.electrolibrary.info
Дата добавления: 28.05.2011