Eugenio Aguilar - Неопределенный электрический объект. Ампер. Классическая электродинамика.

Опыт, совершивший революцию в мире физики и имевший огромное значение для человечества, можно описать одной фразой: физик показал, что при пропускании через проводник электрического тока магнитная стрелка компаса отклонялась (см. рисунок на следующей странице). Другими словами, он доказал, что электрический ток может воздействовать на магнит. Эрстед также понял, что это воздействие зависит от силы электрического тока, свойств проводника и расстояния между проводником и магнитом. Магнит не может находиться в любом положении — электрический ток воздействует на него только в определенных угловых положениях.

В статье Эрстеда не использовались математические методы, в ней не было никаких графиков, однако новость о важном открытии распространилась мгновенно. Франсуа Араго присутствовал при повторении опыта швейцарским физиком Шарлем Гаспаром де ла Ривом (1770-1834) в Женеве. Араго был так впечатлен, что поспешил представить результаты Эрстеда в Академии наук 4 сентября 1820 года. Для многих речь шла о новом и неожиданном явлении, так что академики испытывали некоторый скептицизм, поэтому Араго сам воспроизвел опыт через неделю, 11 сентября 1820 года, во время второго заседания академии. На нем присутствовал Ампер, и увиденное произвело на него такое впечатление, что ученый посвятил свои исследования изучению этого явления. Вскоре он пишет своему сыну:

«Моя жизнь вращается вокруг важного обстоятельства. С тех пор как я впервые услышал о прекрасном открытии господина Эрстеда [...] о воздействии гальванического тока на магнитную стрелку, я думаю только об этом. Я написал большую теорию этих явлений и уже известных магнитных явлений и провел ряд опытов в соответствии с этой теорией, которые все удались и открыли мне множество новых фактов, [...] и вот новая теория магнита [...] совершенно не похожа на все, что говорилось до сегодняшнего времени».

Опыт Эрстеда заключается в параллельном расположении проводника и магнитной стрелки компаса (а). Когда по проводнику пропускается ток, магнитная стрелка принимает практически перпендикулярное положение по отношению к проводнику.

Ампер каждую неделю представлял в Академию наук результаты исследований, доказательства своих гипотез, чертежи новых приборов, предложения по развитию своих идей и так далее. Он забросил все прежние исследования и полностью погрузился в работу в лаборатории.

Ханс Кристиан Эрстед родился в городе Рудкёбинг (Дания) 14 августа 1777 года (то есть через два с половиной года после Ампера), а умер спустя много лет после смерти французского ученого, 9 марта 1851 года, в Копенгагене. Его отец был аптекарем, поэтому Эрстед изучал медицину, но так и не стал ей заниматься, потому что заинтересовался физико-химическими явлениями. В частности, он, вдохновленный работами немецкого физика Иоганна Вильгельма Риттера (1776- 1810), изучал гальванизм. В1820 году Королевское Общество удостоило его медали Копли, высшей награды, вручаемой ежегодно этим лондонским научным учреждением за работы в области физики и биологии. Хотя имя Эрстеда связано с открытием взаимодействия электрических и магнитных явлений, ему мы обязаны также открытием изоляции и получением алюминия в 1825 году. Научное сообщество отдало должное исследователю и назвало его именем одну из единиц измерения. Эрстед — это единица измерения напряженности магнитного поля в системе СГС; обозначение — Ое (в России используется вариант Э). Соотносится с международной системой (СИ) она следующим образом:

1 Ое =1000/4π А/м.

Портрет Эрстеда из цикла работ Йенса Петера Трапа «Известные датчане», 1868 год.

Главная гипотеза Ампера заключалась в том, что магнитные явления основываются на электричестве. До Ампера существование постоянных магнитов объяснялось так называемым магнитным флюидом, который мог быть северным и южным, в зависимости от полюса магнита. Кроме того, существовал электрический флюид, который объяснял электростатические явления, открытые Кулоном.

Портрет Ампера в Париже.

Вольтов столб, сохранившийся в доме Алессандро Вольты в Комо.

Картина Джузеппе Бертини, на которой изображен Алессандро Вольта, демонстрирующий свое изобретение Наполеону в 1801 году.

Электрические и магнитные явления объяснялись, соответственно, через разные флюиды, магнитный флюид был введен в научный обиход по аналогии с электрическим флюидом. Важно понять, что Эрстед не доказал электрическое происхождение магнитных явлений, а лишь показал, что между ними существует связь. Это был огромный шаг вперед, результаты которого Ампер использовал в своих исследованиях.

Ученому пришла в голову революционная идея: в основе обоих явлений лежит один источник. Он предположил, что внутри постоянных магнитов существуют движущиеся электрические заряды, состоящие из микроскопических электрических токов. Каждый из этих токов по отдельности выявить невозможно, однако, по словам Ампера, можно определить их совместное воздействие, которое будет общим током, циркулирующим вдоль оси магнита. Эти маленькие токи сегодня называются амперовскими токами, и их можно представить в виде микроскопических спиралей, которые вместе производят макроскопическое действие (см. рисунок 1 на следующей странице). Следовательно, отправной точкой Ампера было истолкование магнитных явлений через движущиеся электрические заряды — отсюда и происходит термин «электродинамика», авторство которого, таким образом, может быть присвоено Амперу:

«Название электромагнитного действия, которое я употребляю здесь для удобства, не будет больше использоваться для определения этого действия. Я полагаю, что оно должно определяться как электродинамическое действие. В этом названии выражено, что явления притяжения и отталкивания производятся движущимся электричеством в проводниках».

Ампер также сформулировал различие между электродинамикой и электростатикой. Первая принадлежит области физики, которая изучает движущиеся заряды, а вторая занимается неподвижными электрическими зарядами. Цитата приведена из книги «Сборник наблюдений по электромагнетизму» (1822), в которой, помимо работ Ампера, напечатаны письма Бертолле, Дэви, Фарадея, де ла Рива и де Савари. Эта книга, опубликованная Ампером за четыре года до его главного произведения, во многом содержала его теорию электродинамики.