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

РИС. 1

Наглядное объяснение электродинамических явлений согласно гипотезе Ампера.

РИС. 2

Буквой В обозначен северный полюс, буквой А — южный. Рисунок из книги «Представление новых открытий в электричестве и магнетизме», опубликованной Ампером и Жаком Бабинэ в 1822 году.

Сначала Ампер полагал, что существующие внутри постоянного магнита токи были микроскопическими, отсюда вытекала их связь с молекулярными токами. На рисунке 2 показано, что северный и южный полюс перпендикулярны площади распространения электрического заряда.

Это явление можно наглядно представить в виде токов на бумаге; если токи движутся по часовой стрелке, северный полюс магнита расположится перпендикулярно листу бумаге со стороны наблюдателя, тогда как южный полюс будет находиться с нижней стороны листа.

С открытием Эрстеда началась настоящая интеллектуальная война: ученые разделились на два лагеря. Одна часть говорила о необходимости рассматривать открытое явление в русле законов Ньютона, Кулона и существования электрических и магнитных флюидов. Главным представителем этого лагеря был французский физик Жан- Батист Био (1774-1862), который пытался объяснить аномальные явления с помощью принятой научной парадигмы. Ампер, представляющий другой лагерь, настаивал на изменении этой парадигмы, предлагая убрать из нее один из флюидов и упростить таким образом понимание вновь обнаруженных явлений.

Био решил не отказываться от гипотезы магнитного флюида. Он полагал, что если проводник ведет себя как магнитная стрелка, то это потому, что он временно превращается в магнит. Зато Ампер не только отказался от гипотезы магнитного флюида, но и утверждал существование в природе постоянных магнитов. Он разработал план исследований с целью выявления математического закона, описывающего взаимодействие между элементами, образующими ток. Это взаимодействие возникает между движущимися зарядами внутри проводника или, по словам Ампера, между «молекулярными токами».

Реализация этой программы означала введение в обиход новой научной парадигмы, в которой две реальности объединялись в одну: электрические и магнитные явления имеют одну природу. Через неделю после того, как Ампер увидел повторение опыта Эрстеда, он представил первое исследование. В записках Академии наук от 18 сентября 1820 года напечатан следующий его комментарий: «...я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». Эта фраза может считаться лозунгом всех будущих исследований Ампера.

Поначалу Ампер справедливо предположил, что токи в опыте Эрстеда соединялись с токами Земли, оказывающими влияние на магнитную стрелку. Вторым его предположением было то, что в идеальных условиях, когда Земля не оказывает никакого магнитного действия, стрелка устанавливается перпендикулярно по отношению к проводнику, по которому циркулирует ток. Чтобы устранить влияние земного магнетизма, Ампер изобрел «астатическую стрелку» (см. рисунок 3). В этом приборе компасная стрелка наклонена таким образом, что постороннее воздействие на нее устранено.

Жан-Батист Био родился в Париже в 1774 году и умер там же в 1862-м. В 1800 году он стал профессором физики в Коллеж де Франс, а в 1803 — членом Академии наук. Этот современник и коллега Ампера придерживался своих собственных идей. Несмотря на свое несогласие с электрической природой магнитных явлений, Био вошел в историю науки вместе с французским физиком Феликсом Саваром (1791-1841) как автор закона Био — Савара, описывающего магнитное поле, порождаемое постоянным электрическим током.

Изучение электромагнетизма было лишь одним из научных интересов Био, также он занимался поляризованным светом и был одним из первых ученых, изучавших метеориты. Эта область привлекла его после того, как в апреле 1803 года в городе Легль Нижней Нормандии упали 3000 фрагментов метеорита. Жители города видели вспышку света и распад небесного тела на множество фрагментов. Био был уполномочен изучить странное явление и в результате работы пришел к следующему заключению: камни имели внеземное происхождение. В то время подобные утверждения встречались с некоторым скептицизмом, однако работы Био проложили дорогу научному изучению метеоритов. Остатки метеорита, обнаруженные в Легле, были хондритами и позволили ученым понять происхождение Солнечной системы. Число Био, обозначаемое Bi, было придумано в честь ученого и выражает теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой.

Памятная открытка с изображением полета Био и Гей-Люссака на аэростате в 1804 году, предпринятого в целях изучения земной атмосферы.

Для этого плоскость круга с делениями располагается перпендикулярно к магнитному меридиану места, и земной магнетизм не может воздействовать на стрелку.

Благодаря астатической стрелке Ампер смог изобрести новый прибор, который назвал гальванометром:

«Не хватало инструмента, который позволял бы определить наличие тока в стержне или проводнике, а также его энергию и направление. Теперь этот инструмент существует; [...] это прибор, похожий на компас, отличающийся от него использованием [...]. Полагаю, ему нужно дать название гальванометра».

РИС.З

Астатическая стрелка Ампера в «Представлении новых открытий в электричестве и магнетизме» (1822).

В XIX веке изучение электромагнетизма было новой областью науки. В терминологии царила большая путаница, большинство определений нуждались в уточнении. Даже Ампер говорил об энергии тока, всегда имея в виду его силу. Угол отклонения стрелки мог показывать силу электрического тока, но нужно было определить его направление. Ученый произвольно выбрал направление движения положительных зарядов для определения критерия направления тока, а также выработал правило определения отклонения стрелки: «Если мысленно расположиться человеку вдоль проводника с током так, чтобы ток проходил по 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». Это же правило он использовал и для Земли.