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

РИС. 4

В рукописях Ампера есть рисунок, иллюстрирующий «правило Ампера» (см. рисунок 4). На нем изображено, как действуют электрические токи на наблюдателя, если представить его внутри земного шара. Круг представляет собой земной шар, его магнитные полюса N (Северный) и S (Южный) связаны земным меридианом. Наблюдателя (от ног до головы) пересекает электрический ток (представленный частично), циркулирующий вдоль экватора. Нужно представить наблюдателя лежащим и смотрящим на находящийся над ним компас. Его левая рука указывает направление, в которое отклонится северный полюс компаса под действием тока, то есть N (Северный) полюс Земли.

Гипотеза молекулярных токов Ампера имеет ощутимые отголоски в сегодняшней физике. В 1820 году электроны (элементарные отрицательно заряженные частицы) были неизвестны, еще меньше знали о квантовой физике. Сегодня свойства магнетизма касаются двух аспектов.

1. Орбитальное движение электронов вокруг ядра.

2. Квантовое свойство, называемое спином.

Честь открытия электрона принадлежит британскому ученому Джозефу Джону Томсону (1856-1940). Оно состоялось во время проведения им в 1896 году опыта с катодными лучами. Таким образом, понадобилось почти 80 лет для открытия частиц, связанных с амперовскими токами, хотя электродинамика уже прочно утвердилась в науке. Кроме того, немецкий физик Ральф Крониг (1904-1995) ввел в 1925 году понятие спина, и это стало следующим шагом в понимании постоянных магнитов. Новые знания, полученные в течение двух веков после появления гипотезы Ампера, позволили классифицировать виды магнитных материалов, выделив диамагнитные и ферромагнитные. Более глубокое исследование этой классификации выходит за рамки данной книги.

Ампер придумал название «гальванометр» в честь итальянского ученого Гальвани. Гальванометр — это инструмент для определения и измерения электрического тока. С этой точки зрения прибор, сконструированный Ампером, не был гальванометром в строгом смысле слова, потому что он не измерял абсолютное значение электрического тока. Мы могли бы назвать «гальваноскопом» астатическую стрелку Ампера — устройство, определяющее лишь наличие электрического тока. Гальванометр называется амперметром, если он параллельно подключен к сопротивлению для очень точного измерения силы тока. По общему правилу, амперметр должен быть последовательно включен в электрическую цепь, хотя эту проблему можно решить с помощью токоизмерительных клещей. Их действие напоминает об исследованиях электромагнетизма, проводившихся во времена Ампера.

Поскольку провод создает вокруг себя магнитное поле, можно поместить его в токоизмерительные клещи (не прикасаясь к нему), измерить магнитное поле и затем вычислить силу тока.

Токоизмерительные клещи.

Не будет ошибкой утверждать, что работы Ампера косвенно участвовали в становлении теории относительности Альберта Эйнштейна. В 1905 году немецкий ученый опубликовал статью под названием «К электродинамике движущихся тел», в которой он процитировал слова Максвелла, излагавшего суть электродинамики в работах Ампера. В выстроенном Эйнштейном здании есть вклад и французского ученого. Эйнштейн никогда бы не пришел к своим выводам, если бы не знал, что движущиеся заряды взаимодействуют между собой и с магнитными полями.

В 1820 году Эрстед провел опыт, ознаменовавший революцию в физике XIX века. Следующие десять лет были невероятно продуктивными в сфере изучения электромагнетизма и электродинамики. Ампер погрузился в работу над формулировкой математического закона, который связал бы движение зарядов и магнетизм. Хотя ему понадобилось всего несколько месяцев, чтобы понять основные принципы этой связи, на завершение работы, ставшей итогом всех его исследований, потребовались годы.

С сентября 1820 года Ампер развил бурное научное творчество. Историкам потребуется много сил и времени, чтобы установить хронологию его открытий, учитывая тот факт, что ученый не вел лабораторного журнала. Рукописи Ампера, его сообщения для Академии наук и статьи этого периода изобилуют чертежами лабораторного оборудования. Сегодня нам известна программа его исследований при разработке теории электродинамики, особенно в период между 1820 и 1821 годом. Ученый всегда был удивительно настойчив — и в юные годы, и в качестве преподавателя, и в своих работах по классификации, и в личной жизни. Сейчас он поставил перед собой новую цель, заключил свое «электродинамическое пари»: Ампер хотел доказать справедливость своей теории. В этой главе рассказывается о его опытах и открытиях, к которым они привели.

18 сентября 1820 года — в день, когда Ампер представил свою первую работу по электродинамике, — он также заявил, что скоро поставит опыт, который подтвердит его гипотезу об электрическом происхождении магнетизма. Спустя неделю,

25 сентября 1820 года, это и произошло на очередном заседании Академии наук. Сам Ампер видел в своем опыте неопровержимое доказательство того, что в основе магнетизма лежат молекулярные токи, то есть движущиеся электрические заряды. Он сконструировал устройство, в котором электрический ток проходил по двум закрученным в форме спирали проводникам (см. рисунок 1). Проводники притягивались или отталкивались в зависимости от направления, в котором протекал ток. Таким образом ученый доказал, что проводники ведут себя как магниты, со всеми вытекающими отсюда последствиями: один конец спирали выступал в качестве северного полюса, а второй — в качестве южного. Этот опыт не был оценен по достоинству, хотя, в отличие от опыта Эрстеда, в эксперименте Ампера не требовалось использование магнитов. Роль магнита в нем исполнял другой проводник, и это доказывало, что электрические токи превращают проводники, закрученные в форме спирали, во временные магниты.

РИС. 1

Устройство, представленное Ампером для подтверждения гипотезы об электродинамическом происхождении магнетизма. Проводники в форме спирали А и В притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления пропускаемого через них электрического тока. «Сообщение относительно действий электрических токов», 1820.