Открытие Эрстеда

В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики – электромагнетизма. Это событие было с энтузиазмом встречено представителями школы немецкой классической философии. Факты, указывающие на существование связи между электрическими и магнитными явлениями, были известны задолго до открытия Эрстеда. Еще в XVII веке наблюдали случаи перемагничения стрелки компаса после удара молнии.

Интерес представителей немецкой классической философии к открытию Эрстеда не был случайным. Сам Эрстед находился под сильным влиянием философии Шеллинга. Учение о целостности мира, о его развитии, о борьбе полярных сил, о всеобщей связи явлений чрезвычайно импонировало датскому физику. Не случайно в брошюре, посвященной своему открытию, он назвал процесс, происходящий в проволоке, соединяющей полюсы гальванического элемента, не электрическим током, а «электрическим конфликтом». Открытие Эрстеда шеллингианцы и гегельянцы рассматривали как успех своей философской системы. Они справедливо отмечали, что физика могла рассматривать химические, электрические и магнитные явления как независимые лишь до открытия гальванизма.

Исследования магнитного действия электрического тока привели Эрстеда к выводу, что «электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Далее следует еще более важное наблюдение: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, Эрстед подметил вихревой характер магнитного поля.

Исследования электромагнетизма

Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс и инициировало новые исследования. В сентябре 1820 года Араго показал, что провод с током притягивает железные опилки. Месяц спустя Жан Батист Био и Феликс Савар доложили об экспериментальном установлении закона действия прямого электрического тока на элементарный магнит. Пьер Симон Лаплас придал закону Био и Савара строгую математическую форму закона элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. Эта формула с тех пор практически не претерпела изменений и сегодня известна как закон Био-Савара-Лапласа для магнитной индукции элемента тока:

(10.1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения.

Наиболее значимый вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Андре Мари Ампер. В течение 1820 года он сделал ряд сообщений в Парижской Академии наук, посвященных исследованию этого нового явления. Ампер различает два основных понятия: электрический ток и электрическое напряжение. Под электрическим током Ампер понимал перенос электрического заряда по замкнутой «цепи проводящих и электродвижущих тел», а под его направлением – направление движения положительного заряда.

Е

Рис. 24. Станок Ампера

сли Эрстедом было установлено взаимодействие магнита с электрическим током, то Ампер впервые установил механическое взаимодействие двух проводников с током. С этой целью он исследовал поведение подвижных проволочных контуров прямоугольной формы, которые крепились в специальных приспособлениях (станках Ампера) на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища двух чашек с ртутью (рис. 24). Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках рамка могла свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь все время включенной в цепь с помощью ртутных контактов. Приближая к подвижной рамке другую, неподвижную, Ампер наблюдал взаимодействие токов. Он обнаружил, что токи, направленные одинаково, притягиваются друг к другу, а токи, направленные противоположно, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, Ампер изучал как взаимодействие двух токов, так и действие на подвижную рамку с током постоянного магнита. Результаты его исследований мы сегодня объединяем в одной формуле, задающей механическую силу, действующую на элемент проводника с током во внешнем магнитном поле :

(10.2)

Ампер пришел к идее чисто токового происхождения явления магнетизма. Согласно его теории, все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в твердых телах круговых молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен плоскому магниту – так называемому магнитному листку. На этой основе он разработал представление о магните «как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита». Следующим логическим шагом, непосредственно следующим из предыдущего, был вывод, что спираль, обтекаемая постоянным электрическим током (соленоид), должна быть эквивалентна постоянному магниту. И Ампер сделал этот вывод. В 1822 году с помощью своего станка он экспериментально исследовал поведение соленоида в магнитном поле постоянного магнита и убедился в абсолютной справедливости своих теоретических выводов. Соленоид с током вел себя как прямой постоянный магнит, направление от южного полюса к северному в котором было связано с направлением обтекания током витков правилом правого винта. Когда Ампер убирал постоянный магнит, соленоид с током подобно магнитной стрелке компаса устанавливался в направлении магнитного меридиана Земли. Взаимодействие же двух соленоидов с током было абсолютно идентично взаимодействию двух прямых постоянных магнитов. Наконец, Амперу принадлежит идея усиления магнитного поля соленоида путем введения внутрь последнего железного сердечника из мягкого железа.