Открытие магнитного действия электрического тока реферат
Обновлено: 05.07.2024
Тема моей работы магнитное поле. Магниты окружают нас повсюду и широко применяются в различных сферах нашей жизни. С магнитами мы знакомимся еще в детстве. Каждый из нас, я думаю, будучи ребенком, играл в магнитики. Это знакомство продолжается в школе на уроках физики. Наглядность и простота выполнения школьных экспериментов, при изучении магнитного поля, повышают интерес, делают материал доступным для понимания и более усваиваемым. Все это сыграло немалую роль при выборе темы курсовой работы. В первой главе своей работы я расскажу об истории открытия магнитного поля, о явлениях, предшествующих его открытию и способах его создания. Во второй главе я рассмотрю непосредственно само магнитное поле, раскрою его свойства и характеристики. В третьей главе я расскажу о действии магнитного поля на проводники и рассмотрю его на примере рамки с током, находящемся в магнитном поле. В четвертой главе я расскажу о методах нахождения значения основной характеристики магнитного поля, приведу несколько примеров. Также в моей работе будет представлены опыты, подтверждающие существование магнитного поля и иллюстрирующие характер его поведения.
Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы - тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце - жёлтый плазменный шар - магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов - всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания си,.ьных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике.
После изобретения в 1800 г. источника постоянного тока возможности экспериментаторов значительно расширились. Первое фундаментальное открытие было сделано в 1820г. датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом (1777- 1851).Убежденный в том, что электрические и магнитные
явления взаимосвязаны, он хотел выяснить, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит. В феврале 1820г. Эрстед показывал студентам тепловое действие тока. Он поместил над магнитной стрелкой параллельно ей прямолинейный провод (рис.1). Стрелка могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводу электрического тока стрелка отклонялась в сторону и устанавливалась перпендикулярно к проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда провод переносился вниз и располагался под стрелкой. В этом эффекте Эрстед увидел подтверждение своих идей. Описание опыта вышло в свет 21 июля 1820г. Этот простой опыт произвел сильное впечатление на современников и положил начало новой области физики — электродинамике.
Дальнейшие исследования развивались стремительно. 11 сентября 1820г. опыт был показан на заседании Французской академии наук. Академики спокойно разошлись, и только один из них - Андре Мари Ампер (1775-1836) - поспешил заказывать приборы для проведения новых опытов. Он был уверен, что они должны были подтвердить его догадки, сводящие магнетизм к чисто электрическим явлениям. Все считали, что ток, проходя по проводнику, превращает его в магнит, который и заставляет отклоняться стрелку компаса. Ампер высказал гениальную мысль: магнит представляет совокупность токов, движущихся по замкнутым контурам; отклонение стрелки вызвано взаимодействием токов. 25 сентября он демонстрирует новый эффект: два незаряженных параллельных провода, по которым текут противоположно направленные токи, отталкиваются друг от друга (рис.2,а). На каждой из проводников действует сила, зависящая от величины силы тока и расстояния между проводами. При перемене направления одного из токов силы отталкивания сменяются силами притяжения (рис.2,б). В новой серии опытов спирали, по которым пропускали ток, вели себя подобно магнитам.
Он содержит прямоугольную проволочную рамку, укрепленную на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища двух чашек с ртутью. Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках рамка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь все время включенной в цепь тока при помощи ртутных контактов. Если приблизить к подвижной рамке другую (неподвижную) рамку с током, то можно наблюдать взаимодействие токов. При достаточном сближении одного из ребер подвижной рамки с каким-либо из ребер неподвижной рамки можно считать, что практически взаимодействуют только сближенные ребра, и таким образом исследовать взаимодействие двух прямолинейных токов. При этом легко обнаружить, что токи, направленные одинаково (параллельные), притягиваются друг к другу, а токи направлеьдые противоположно (антипараллельные,, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, можно исследовать взаимодействие тока и магнита и двух токов между собой. Если поднести к одному из вертикальных ребер подвижной рамки с током прямой магнит, то рамка поворачивается. При замене северного полюса магнита на южный направление силы изменяется и рамка начинает поворачиваться в обратную сторону. Направление силы изменяется и в том случае, если изменить направление тока в рамке. На рис.4 показан станок Ампера с прямой длинной катушкой (соленоид). Если подносить к концам такого соленоида прямой магнит, то обнаруживается, что один из концов соленоида отталкивается от северного полюса магнита, но притягивается к южному полюсу, в то время как для второго конца соленоида наблюдается обратное. Этот опыт показывает, что соленоид с током ведет себя как прямой магнит. Тот конец соленоида, который обтекается током против часовой стрелки (если смотреть в торец катушки), соответствует северному полюсу магнита (указывающему на север), а конец, обтекаемый током по часовой стрелке, соответствует южному полюсу магнита. Если убрать магнит, то соленоид с током устанавливается так же, как магнитная стрелка компаса, в направлении магнитного меридиана Земли.
Заменяя в предыдущем опыте магнит другим (неподвижным) соленоидом, можно исследовать взаимодействие двух соленоидов. При этом вновь легко убедиться, что каждый из соленоидов по своим действиям подобен прямому магниту.
Новую область знаний о явлениях, обусловленных протеканием токов, Ампер назвал электродинамикой. Открытие явлений электромагнетизма оказало влияние не только на развитие науки, но и техники. В том же году Доминик Франсуа Араго (1786-1853) изобрел электромагнит. В 1821г. Майклу Фарадею (1791-1867) удалось осуществить вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя. Ампер предложил использовать отклонение электромагнитной стрелки для передачи сигналов в электромагнитном телеграфе.
В дальнейшем экспериментально исследовалось действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам самой различной формы. Во всех случаях проводники с током оказывали ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, можно сделать следующий вывод: при прохождении по проводнику электрического тока вокруг проводника возникает магнитное поле, действующее на помещенную в это поле магнитную стрелку.
Непосредственное измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было произведено в 191] г. Абрам Федорович Иоффе (1880-1960). Принципиальная схема его установи.2 приведена на рис.5. Внутри стеклянной трубки М был создан высокий вакуум.
Электроны, вылетавшие из катода К, который нагревался током от батареи накала Бм , ускорялись электрическим полем, созданным между катодом К и анодом А батареей Ба .
В центре О анода трубки имелось небольшое отверстие, через которое проходила часть электронов. Узкий пучок электронов в пространстве за анодом попадал в цилиндр Фарадея Р, соединенный через гальванометр С с положительным полюсом батареи Ба . В средней части трубки по обе стороны электронного пучка располагались две одинаковые легкие магнитные стрелки N-8, антипараллельные друг другу. Стрелки были скреплены между собой легким кольцом, свободно охватывающим трубку. Вся эта система была подвешена на упругой нити. Применение двух параллельных и противоположно направленных магнитных стрелок (такая система называется астатической) позволило исключить влияние магнитного поля Земли, так как его действия на обе стрелки взаимно уничтожаются. При движении в трубке пучка электронов возникает магнитное поле, которое действовало на обе стрелки так, как показано на рисунке. Угол закручивания нити О, регистрировавшийся по смещению светового зайчика, отраженного от зеркальца 3, позволял судить о силе, с которой магнитное поле электронного пучка действовало на магнитные стрелки. Сила тока в трубке измерялась гальванометром С. Заменив катодную трубку М прямолинейным проводником, по которому шел ток такой же силы, как и в трубке, Иоффе установил, что угол закручивания нити не изменился. Таким образом, было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.
Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники.
С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.
Магнитные разведка, дефектоскопия, магнитные линзы и магнитная запись информации, магнитная обработка воды, поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения магнитного поля.
Неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.
В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.
ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН.
1.1 ОПЫТЫ ГАНСА ХРИСТИАНА ЭРСТЕДА.
Оказывается в 1806 году адъютант кафедры фармацевтики Копенгагенского университета Ганс Христиан Эрстед, 29 лет от роду, осуществил свою заветную мечту – получить звание профессора. Но не на своей кафедре, входившей в состав медицинского факультета, а на другой – на кафедре физики. Объяснялось это тем, что, знакомясь с научными лабораториями Европы во время своей двухгодичной командировки, Эрстед почувствовал большую склонность к наукам физическим и химическим и по возвращению в Копенгаген, стал с усердием читать лекции именно по этим двум дисциплинам.
Второе научное путешествие, тоже двухгодичное, ещё более сблизило его с физикой и химией, он смог лично ознакомиться со многими выдающимися достижениями того времени, в частности с работами Вольты. Вернувшись в 1813 году в Данию, Эрстед продолжил преподавание физики. До мая 1820 года Эрстед занимался тем, что изучал возникновение тепла под действием электрических разрядов, то есть соединял полюсы вольтовой батареи проволокой и раздумывал, что при этом происходит с электричеством. Его новаторская идея была такова: при соединение полюсов противоположные заряды смешиваются, каким то образом, так как исчезнуть они совсем не могут и не окажет ли этот скрытый вид энергии действие на магнит.
Сейчас такие рассуждения покажутся наивными, но в то время сама мысль уже была революцией. Если бы Эрстед выдвинул новую гипотезу, причём не просто новую, а гениальную, означающую новую эру в физике, он должен был, как всякий разумный человек, я уж не говорю – тщеславный, эту мысль тут же попытаться каким-то образом доказать. А этого-то он как раз и не сделал. Возможно, он тогда ещё не понял, чего заслуживает эта идея. Он же пишет, что высказал её перед студентами, а потом забыл до тех пор, пока студенты не напомнили. Странная забывчивость, если подумать, о чём идёт речь.
Мне кажется, тут возможна и третья версия: Эрстед и впрямь предчувствовал новое открытие, устанавливающее связь между электричеством и магнетизмом, и, возможно, действительно говорил об этом студентам, но не знал, как это доказать. Ведь умение построить эксперимент требует не меньшей проницательности, чем создание умозрительной гипотезы. А, не зная, как доказать, не приступал к экспериментам, ограничиваясь только размышлениями на эту тему. Только счастливый случай на лекции указал этот скрытый путь. Вечером он решил продемонстрировать этот опыт студентам.
Только в начале июля опыт был повторен, на этот раз вполне удачно. И тогда меньше чем за 3 недели он выполнил всё своё знаменитое ныне исследование, выполнил тщательно, досконально, и так же обстоятельно и досконально описал открытое явление, и не по - датски, а по - латыни, и не в одном экземпляре, а в десятках, и к 21 июля всё было закончено.
Вероятно, это заблуждение и вызвало некоторую паузу после получения физиками мемуара Эрстеда, потому что раскалить провод можно только с помощью достаточно мощной батареи, а не у всех учёных таковые имелись.
Но как только было обнаружено, что открытое явление происходит даже от двух пластин батареи, работы по электромагнетизму хлынули потоком. И вот тут среди общих возгласов восторга вдруг прозвучал первый ехидный вопрос: позвольте, а кто сказал, что открытие господина Эрстеда действительно открытие? Влияние электричества на магниты давно открыто итальянцами Можоном и Романьози, ещё в 1802 году.
А как же все-таки создавалась картина электромагнитного поля?
Несколькими месяцами позже Ампер проделав аналогичный опыт, установил, что два параллельных проводника, по которым идёт ток в одном направлении, притягиваются друг к другу и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления.
Им же были исследованы свойства соленоида и создан прибор, названный гальванометром.
Только что нашумевшее открытие Эрстеда возбудило в учёном мире исключительный интерес к электромагнетизму.
Араго показал, что железные опилки притягиваются к медному проводу, когда по нему идёт электрический ток. Повторяя опыты Араго, Дэви обнаружил, что опилки, рассыпанные на листе бумаге, сквозь которую проходит перпендикулярно к листу проводник с током, располагаются вокруг провода концентрическими окружностями. (Рис. 1)
1.2 РОЛЬ МАЙКЛА ФАРАДЕЯ В ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.
В дневнике Майкла Фарадея, да – да, того самого Майкла Фарадея, помещён рисунок, показывающий расположение этих опилок, - рисунок, который сейчас можно видеть в любом учебнике физики. Фарадей был ассистентом Ганса Христиана Эрстеда, но он и самостоятельно проделал много опытов. Поведение же магнитной стрелки натолкнуло его на мысль: нельзя ли получить непрерывное вращение магнита вокруг провода или заставить проводник с током вращаться вокруг магнита?
Осуществлению такого вращения мешало то обстоятельство, что магнит обладает двумя полюсами. Фарадей нашёл способ устранить это затруднение.
Вводя понятие поля и отвергая теорию дальнодействия, Фарадей был убежден в материальности силовых линий, идущих от магнита или заряженного проводника.
Для него силовые линии были не просто графическим изображением действия сил, а реально существующими и заполняющими все пространство вокруг магнита или заряженного проводника.
1.3 УРАВНЕНИЯ ДЖЕЙМСА КЛЕРКА МАКСВЕЛЛА.
Впоследствии Максвелл идеи Фарадея облек в математическую форму. Он высоко оценил идеи Фарадея за скрытый в них глубокий математический смысл, за точность и логичность его определений.
Максвелл составил четыре уравнения, два из которых имеют непосредственное отношение к физике средней школы. Для электромагнитного поля (в отсутствие проводников) они могут быть представлены так:
ФЕ dl = dФ / dt Уравнение электродвижущей силы
ФH dl = dN / dt Уравнение магнитодвижущей силы
Е – напряженность электрического поля на участке dl; Н – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, Ф – поток магнитной индукции, t – время.
Бросается в глаза симметричный характер уравнений, устанавливающих: первое – связь электрических и магнитных явлений, второе – аналогичную связь магнитных явлений с электрическими. Популярно электрическую сущность этих уравнений можно выразить следующими двумя положениями: 1) изменение электрического поля всегда сопровождается магнитным полем;
2) изменяющееся магнитное поле всегда сопровождается электрическим полем.
В своих математических формулах Максвелл показал, что наличие вещественных носителей (металлических колец в модели Брэгга, металлических проводов) на практике не является существенным для распространения электромагнитного поля. Замкнутые на себя магнитные и электрические поля распространяются от источника (излучаются) по направлению радиусов во всех направлениях.
Восхищенный внутренней и внешней красотой математической формы уравнений Джеймса Максвелла, немецкий физик Людвиг Больцман выразил свой восторг стихами, начинавшимися фразой:
МАТЕРИАЛЬНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.
Электромагнитное поле материально. Физика знает две формы материи – вещество (твердое, жидкое, газообразное) и поле (электромагнитное, гравитационное, внутриядерное). Скорость распространения электромагнитного поля, как теоретически установил Джеймс Максвелл, равна скорости распространения света. Отсюда у Максвелла возникла идея, что и свет представляет собой электромагнитное поле. Электромагнитная теория света сменила предшествующую ей теорию Гюйгенса, которая рассматривала свет как колебания эфира.
Материальность электромагнитного поля подтверждается тем, что в нем наблюдается действие сил, что оно является носителем и передатчиком энергии.
Максвеллу не удалось дожить до того времени, когда его идеи получили практическое подтверждение, он умер в расцвете творческих сил в 1879 году в возрасте 48 лет.
Теория электромагнитного поля стала самым большим научным достижением Джеймса Максвелла.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА.
В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.
F л= qBv sin @
Где B – индукция магнитного поля, то есть его силовая характеристика.
@ - это угол между направлением скорости и направлением индукции.
Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий – ускорителей.
Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.
Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле – электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света – 300000 км/с.
Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет - это короткие волны, а электромагнитные волны – это волны большей длины.
В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.
7 мая 1895г. А.С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.
Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С.Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.
Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40км.
Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.
В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Однако при определенных условиях электрическая и магнитная составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать отдельно.
Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов, перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также выбросом гармонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травмотологии, т.к. ускоряет процессы регенерации тканей.
История науки - тысячелетняя драма. Драма не только идей, но и их творцов. На памятниках, барельефах, мемориальных досках ученые всегда кажутся чуждыми суете и страданиям. Но до того, как их лики застыли в бронзе или граните, им были ведомы и печаль и отчаяние; все они были самыми обычными смертными; только одареннее и ранимее.
И тернии, всегда устилающие дорогу к пьедесталам, ранили их ничуть не меньше, чем всех остальных людей; только раны их были невидимы миру.
Ученый – это не специальность, ей нельзя обучить в институте. Каждое открытие делает человек, ставший ученым по призванию.
Открытия не бывают случайными. Для торжества нового в науке нужны талант, знания, непредвзятость мнений, умение удивиться новому, трудолюбие, смелость в отстаивании своих убеждений. И , что очень важно, необходимость в данном открытии.
Наука и общество должны по меньшей мере созреть, чтобы принять новое открытие, а еще лучше – они должны остро нуждаться в нем.
В таких условиях и находилось научное общество, когда новаторская мысль посетила скромного датского профессора Ганса Христиана Эрстеда и произошло рождение нового раздела физики – электромагнетизма.
Список прочитанной литературы:
3. Справочник школьника под редакцией А.Барашкова
Возможное существование тесной связи между электричеством и магнетизмом предполагали уже самые первые исследователи, пораженные аналогией электростатических и магнитостатических явлений притяжения и отталкивания. Это представление было настолько распространено, что сначала Кардан, а затем и Гильберт считали его предрассудком и всячески старались доказать различие этих двух явлений. Но это предположение снова возникло в XVIII веке уже с большим основанием, когда было установлено намагничивающее действие молнии, а Франклину и Беккариа удалось добиться намагничивания с помощью разряда лейденской банки. Законы Кулона, формально одинаковые для электростатических и магнитостатических явлений, вновь выдвинули эту проблему.
После того как благодаря батарее Вольта появилась возможность получать электрический ток в течение долгого времени, попытки обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями стали более частыми и более интенсивными. И все же, несмотря на интенсивные поиски, открытие заставило себя ждать целых двадцать лет. Причины такой задержки следует искать в научных представлениях, господствовавших в те времена. Все силы понимались только в ньютоновском смысле, т. е. как силы, которые действуют между материальными частицами по соединяющей их прямой. Поэтому исследователи старались обнаружить силы именно этого рода, создавая приспособления, с помощью которых они надеялись обнаружить предполагаемое притяжение или отталкивание между магнитным полюсом и электрическим током (или, выражаясь более общим образом, между "гальваническим флюидом" и магнитным флюидом) или же пытались намагнитить стальную иглу, направляя по ней ток.
Взаимодействие между гальваническим и магнитным флюидом пытался обнаружить и Джан Доменико Романьози (1761—1835) в опытах, описанных им в статье 1802 г., на которую Гульельмо Либри (1803—1869), Пьетро Конфильякки (1777—1844) и многие другие ссылались потом, приписывая Романьози приоритет этого открытия. Достаточно, однако, прочесть эту статью, чтобы убедиться, что в опытах Романьози, проводившихся с батареей с незамкнутой цепью и магнитной иглой, вообще нет электрического тока, и поэтому самое большее, что он мог наблюдать,— это обычное электростатическое действие.
Когда 21 июля 1820 г. в одной очень лаконичной статье на четырех страничках (на латинском языке), озаглавленной "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam" датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) описал фундаментальный опыт по электромагнетизму, доказывающий, что ток в прямолинейном проводнике, идущем вдоль меридиана, отклоняет магнитную иглу от направления меридиана, интерес и удивление ученых были велики не только потому, что было получено столь, долго разыскивавшееся разрешение проблемы, но и потому, что новый опыт, как сразу же стало ясно, указывал на силу неньютоновского типа. В самом деле, из опыта Эрстеда ясно было видно, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. она, как тогда говорили, является "силой поворачивающей". Значение этого факта чувствовалось, уже тогда, хотя полностью оно было осознано лишь много лет спустя. Опыт Эрстеда вызвал первую трещину в ньютоновской модели мира.
О том затруднении, в которое попала наука, можно судить, например, по замешательству, в котором находились итальянские, французские, английские и немецкие переводчики, переводившие на родной язык латинскую статью Эрстеда. Часто, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечании латинский оригинал.
Действительно неясным в статье Эрстеда еще и сегодня остается объяснение, которое он пытается дать наблюдавшимся им явлениям, обусловленным, по его мнению, двумя противоположно направленными спиральными движениями вокруг проводника "электрической материи, соответственно положительной и отрицательной".
Исключительность явления, открытого Эрстедом, сразу же привлекла к нему большое внимание экспериментаторов и теоретиков. Араго, вернувшись из Женевы, где он присутствовал при аналогичных опытах, повторенных Де ла Ривом, рассказал о них в Париже, а в сентябре того же 1820 г. собрал свою известную установку с вертикальным проводником тока, проходящим сквозь горизонтально расположенный кусок картона, посыпанный железными опилками. Но окружностей из железных опилок, которые мы обычно замечаем при проведении этого опыта, он не обнаружил. Экспериментаторы видят ясно эти окружности с тех пор, как Фарадей выдвинул теорию "магнитных кривых", или "силовых линий". Действительно, нередко, чтобы увидеть что-то, нужно очень желать этого! Араго же видел только, что проводник, по его выражению, "облепливается железными опилками так, как если б это был магнить", из чего он сделал заключение, что "ток вызывает магнетизм в железе, которое не подвергалось предварительному намагничиванию".
Все в том же 1820 г. Био зачитал два доклада (30 октября и 18 декабря), в которых сообщал о результатах проведенного им вместе с Саваром экспериментального исследования. Пытаясь открыть закон, определяющий зависимость величины электромагнитной силы от расстояния, Био решил воспользоваться методом колебаний, которым раньше пользовался уже Кулон. Для этого он собрал установку, состоящую из толстого вертикального проводника, расположенного рядом с магнитной стрелкой: при включении тока в проводнике стрелка начинает колебаться с периодом, зависящим от электромагнитной силы, действующей на полюса при различных расстояниях от центра стрелки до проводника с током. Измерив эти расстояния, Био и Савар вывели носящий теперь их имя хорошо известный закон, который в своей первой формулировке не учитывал интенсивности тока (ее тогда не умели еще измерять).
Узнав о результатах опытов Био и Савара, Лаплас заметил, что действие тока можно рассматривать как результат отдельных действий на полюса стрелки бесконечного числа бесконечно малых элементов, на которые можно разделить ток, и заключил из этого, что каждый элемент тока действует на каждый полюс с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния этого элемента от полюса. О том, что Лаплас принял участие в обсуждении этой проблемы, говорится у Био в его работе "Precis elementaire de physique ехрёrimentale" (2-е изд., II, Париж, 1821, стр. 122). В сочинениях же Лапласа, насколько нам известно, нет никакого намека на такое замечание, из чего можно заключить, что он, видимо, высказал это в устной дружеской беседе с самим Био.
Чтобы пополнить свои сведения об этой элементарной силе, Био попытался, на этот раз один, определить опытным путем, изменяется ли и если изменяется, то каким образом действие элемента тока на полюс с изменением угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей середину элемента с полюсом. Опыт состоял в сравнении того, какое действие оказывает на одну и ту же стрелку параллельный ей ток и ток, направленный под углом. Из данных опыта Био путем расчета, которого он не опубликовал, но который, безусловно, был ошибочным, как это показал в 1823 г. Ф. Савари (1797—1841), определил, что эта сила пропорциональна синусу угла, образуемого направлением тока и прямой, соединяющей рассматриваемую точку с серединой элемента тока. Таким образом, то, что сейчас называют "первым элементарным законом Лапласа", в значительной мере является открытием Био.
Упомянутый уже нами опыт Араго, объяснявшийся многими физиками того времени тем, что провод, по которому проходит ток, намагничивается, был сразу правильно понят Ампером, тотчас же предсказавшим, а затем вскоре и подтвердившим экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутри спирали, по которой проходит ток, приобретает постоянную намагниченность. Таким образом, был найден новый метод намагничивания, гораздо более эффективный, простой и удобный, нежели прежние. Но самое главное, этим был дан толчок для создания простого, но очень ценного приспособления — электромагнита, который используется в многочисленных научных и технических приборах. Первый подковообразный электромагнит сделал в 1825 г. американец Уильям Стерджен (1783— 1850); этот электромагнит немало удивил исследователей быстротой намагничивания и размагничивания бруска мягкого железа при включении или выключении тока в проводнике, которым был обмотан брусок. Конструкцию Стерджена улучшили одновременно и независимо друг от друга в 1831 г. Молль (1785—1838) и американец Джозеф Генри (1797—1878).
За первой, написанной на латинском языке статьей Эрстеда последовала вторая, написанная по-немецки, которая тем не менее осталась малоизвестной. В ней Эрстед показал взаимность открытого им электромагнитного явления. Он подвешивал к проволоке маленькую батарейку, замыкал цепь и регистрировал ее вращение при приближении к ней магнита. То же самое, независимо от Эрстеда, обнаружил и Ампер, которому обычно это открытие и приписывается. Еще проще продемонстрировал действие магнита на подвижный элемент тока Дэви, приблизив по совету Араго полюс магнита к электрической дуге. Стерджен видоизменил опыт Дэви и придал своему эксперименту тот вид, в каком и сегодня он демонстрируется на уроках физики, когда дуга непрерывно вращается в магнитном поле.
Но первым физиком, которому удалось получить вращение проводника с током в магнитном поле, был Фарадей. В 1821 г. он сконструировал очень простое приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Опыт Фарадея, блестяще модифицированный Ампером, бесчисленными способами варьировался затем на протяжении всего XIX века. Здесь мы укажем лишь на описанное в 1823 г. "колесо Барлоу", потому что оно представляет собой разновидность электрического мотора, который вполне может служить еще и сегодня педагогам для учебных целей. Это металлическое колесо с горизонтальной осью, край которого погружен в ванночку с ртутью и находится между полюсами подковообразного железного магнита. Если от оси колеса, к его периферии и далее через ртуть течет ток, колесо вращается.
Правила Эрстеда об отклонении магнитной стрелки и соответствующее правило Ампера указывали на то, что отклонение возрастает, если тот же ток пропускать и над магнитной стрелкой и под ней. Это явление, предсказанное Лапласом и хорошо изученное Ампером, было использовано в 1820 г. Иоганном Швейггером (1779—1857) при конструировании мультипликатора, представлявшего собой прямоугольную рамку, обмотанную несколько раз проводом, по которому протекал ток. В середине рамки помещалась магнитная стрелка. Почти одновременно Авогадро и Микелотти построили другой тип мультипликатора, несомненно, гораздо менее удачный, чем швейггеровский; описание его опубликовано в 1823 г. Однако в мультипликаторе Авогадро и Микелотти имелось одно новшество: магнитная стрелка, подвешенная на нити, вращалась над разграфленным сектором, а весь аппарат помещался под стеклянным колпаком.
Вначале казалось, что мультипликатор представляет собой предельно чувствительный гальванометр, но вскоре обнаружили, что его можно значительно улучшить. Уже в 1821 г. Ампер сконструировал "астатический аппарат", как он его назвал, подобный тому, который применял Вассалли Эанди, а еще раньше, в 1797 г., Джон Тремери. Прибор состоял из двух параллельных жестко связанных магнитных стрелок с полюсами, направленными в противоположные стороны. Вся система подвешивалась на острие, и можно было наблюдать, как она поворачивалась при пропускании электрического тока через параллельный проводник, расположенный очень близко к нижней стрелке. Таким способом Ампер доказал, что магнитная стрелка, когда она не подвержена магнитному влиянию Земли, располагается перпендикулярно току.
Леопольдо Нобили (1784—1835) пришла удачная мысль сочетать астатический аппарат Ампера с подвеской на нити, как у Авогадро и Микелотти; таким образом он пришел к своему известному астатическому гальванометру, первое описание которого он представил на заседании Моденской Академии наук 13 мая 1825 г. Чтобы дать представление о чувствительности этого инструмента, Нобили замечает, что, если соединить концы провода гальванометра железной проволокой, достаточно согреть один из стыков пальцами, чтобы стрелка отклонилась на 90°.
Гальванометр Нобили в течение нескольких десятилетий оставался самым чувствительным измерительным прибором в физических лабораториях, и мы уже видели, какую ценную помощью он оказал Меллони в его исследованиях. В 1828 г. Эрстед решил улучшить его, применив вспомогательный подковообразный магнит. Эта попытка успехом не увенчалась, но о ней все же следует упомянуть как о первом приборе с вспомогательным полем.
Эти измерительные приборы были значительно усовершенствованы лишь в 1837 г. Возможно, Пуйе и сам не знал точно теории действия своего инструмента, которая была дана в 1840 г. Вильгельмом Вебером (1804—1891). В 1837 г. А. С. Беккерель изобрел "электромагнитные весы", получившие распространение лишь во второй половине столетия. Затем появились другие типы: Гельмгольца (1849 г.), Гогэна (1853 г.), Кольрауша (1882 г.). Тем временем Поггендорф с 1826 г. ввел метод зеркального отсчета, развитый затем Гауссом (1832 г.) и примененный в зеркальном гальванометре Вебером в 1846 г.
С большим энтузиазмом был принят гальванометр, изобретенный в 1886 г. Д'Арсонвалем (1851—1940), в котором, как известно, измеряемый ток проходит через легкую подвижную катушку, помещенную в магнитном поле.
Девятнадцатый век, видимо, в назидание двадцатому веку, веку узкой научной специализации, перенимает прекрасную традицию восемнадцатого столетия и оставляет нам память об удивительно разносторонних ученых.
Возникновение тепла при прохождении тока от гальванических элементов через тонкую платиновую проволочку не давало Эрстеду покоя. Электричество и тепло взаимосвязаны, думал он, но, возможно, имеется нечто общее между другими разнородными и внешне непохожими явлениями, например между электричеством и магнетизмом? Говорят, чтобы постоянно помнить об этой проблеме, Эрстед все время носил в кармане небольшой магнит…
Проходит семь лет. Весной 1820 года Эрстед впервые замечает, что при прохождении электрического тока лежащая рядом с проводом магнитная стрелка начинает отклоняться. После семи лет обдумываний следуют три недели лихорадочных экспериментов.
Разве могли предвидеть ученые, изучавшие магнитные и электрические явления, что их открытия приведут к созданию электростанций и электрического освещения? Уютно мерцают залитые светом окна загородного дома.
Эрстед обнаруживает, что на повороты стрелки влияет ее удаленность от провода и электрическое напряжение гальванического элемента; материал провода значения не имеет.
Эрстед отмечает странную вещь: сила, действующая между магнитом и электрическим током, направлена не по прямой, соединяющей их, а перпендикулярно к ней!
Франсуа Араго и Анри Мари Ампер
Опыты Эрстеда поразили Араго. Ведь он сам уже много лет собирает сведения о связи атмосферных электрических явлений с поведением магнитных веществ на земле и готовится поставить лабораторные эксперименты по проверке своих предположений.
Участвуя в работе экспертной комиссии по выяснению причин кораблекрушений, Араго замечал, что у кораблей после сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные стороны, а железные предметы на борту сильно намагничивались. Вызвать это могла только молния…
Волнение Араго передалось членам Академии. Они просят Араго на заседании, намеченном на 22 сентября 1820 года, продемонстрировать им опыты Эрстеда.
Члены Французской Академии А. Ампер (слева) и Ф. Араго изучают действие магнитного поля на проводник, по которому течет электрический ток.
В течение этого знаменательного заседания глубокий теоретик превращается в увлеченного экспериментатора. За семь дней Ампер конструирует оригинальный электрический прибор и на следующих заседаниях Академии — 11 и 18 сентября — демонстрирует присутствующим взаимодействие двух проводников с током!
Если в обоих проводниках электрические токи текут параллельно друг другу в одном направлении, то они притягиваются, обнаруживает Ампер; эти же проводники отталкиваются, когда токи в них проходят во взаимно противоположных направлениях.
Затем Ампер выведет простую формулу, которая позволит рассчитать силу взаимодействия двух проводников в том случае, когда они установлены под углом друг к другу. Формула будет названа впоследствии законом Ампера…
Ампер продолжает свои опыты. Свернув проводники в виде двух спиралей, получивших название соленоидов, он доказывает, что соленоиды, установленные рядом, при пропускании тока ведут себя подобно двум магнитам.
Ампер исследует влияние магнитного поля Земли на движение проводника, соленоида и металлической рамки с током. Он высказывает опережающую время мысль о том, что магнит в свою очередь представляет собой совокупность токов. В магните, считает Ампер, есть множество элементарных круговых токов, текущих перпендикулярно к его оси. Так и кажется, что французский ученый уже знает о непрерывном движении заряженных частиц внутри каждого вещества, об открытии электрона, о планетарном строении атома, доказанном Резерфордом через столетие.
Пройдет много лет, и открытия Ампера лягут в основу метода определения единицы электрического тока. На IX Международной конференции по мерам и весам в 1948 году будет решено считать основной электрической единицей один ампер— силу тока, при которой два параллельных проводника длиной в один метр взаимодействуют друг с другом с силой в две десятимиллионные части ньютона.
От силы тока в один ампер произойдет единица количества электричества, названная кулоном, единица напряжения, которая получит наименование вольта, единица сопротивления, именуемая омом.
Оба ключа, действительно, могут открыть один и тот же замок, но это не будет замок двери в страну знаний.
Читайте также: