Електродинаміка Ампера
Маріо Льоцці
Одночасно з роботами
Біо і Саварен, і навіть на кілька місяців раніше, провів свої теоретичні та експериментальні
дослідження Ампер. 18 вересня 1820 він повідомив Паризької Академії наук про своє
відкритті пондеромоторних взаємодій струмів, які він назвав електродинамічними.
Точніше кажучи, в цій своїй першій доповіді Ампер назвав ці дії "вольтаіческімі
притягання і відштовхування ", але потім став іменувати їх" тяжіння
і відштовхування електричних струмів ". У 1822 р. він ввів термін" електродинамічний ".
Ампер був плідним і вправним винахідником неологізмів. Саме йому ми зобов'язані
такими словами, як електростатичний, реофор, соленоїд, і багатьма іншими.
Кажуть, що, коли
Ампер зачитав свою доповідь про електродинамічних діях струмів, один з його колег
після закінчення читання спитав: "Але що ж, власне, нового в тому, що ви нам
сказали? Само собою зрозуміло, що якщо два струму чинять дію на стрілку, то вони
надають дію також і один на одного ". Ампер, захоплений зненацька, не
знав, що відповісти. Але йому на допомогу прийшов Араго. Він вийняв з кишені два ключі
і сказав: "Ось кожен з них теж діє на стрілку, проте ж
вони ніяк не діють один на одного ". Такий випадок, мабуть, дійсно
був, тому що Ампер у своїй великій роботі ( "Про математичної теорії електродинамічних
явищ, однозначно виведеної з досвіду ") вважає за потрібне зауважити, що з досвіду
Ерстеда не можна було логічно укласти про взаємодію двох струмів, як з дії
двох шматків заліза на стрілку не можна зробити висновку про їх взаємодію. Але розповідають
ще й про інший випадок. Лаплас був присутній на першому публічної демонстрації досвіду
Ампера. Публіка вже розходилися, і Лаплас біля виходу став чекати асистента, Даніеля
Колладона; побачивши його, він ляснув його по плечу і, пильно дивлячись на нього, запитав:
"А не чи це ви, молодий чоловіче, підштовхували дріт?" Відразу ж після
відкриття Ерстеда фізикам здалося цілком природним пояснити його тим, що при
проходженні електричного струму через провідник останній стає магнітом. Таке
пояснення було прийнято Араго, який приступив до досвіду, виходячи саме з цього
подання. Воно було прийняте також і Біо, який вперто дотримувався його ще
багато років. Його дотримувалися, також Деві і Берцеліус. Останній уточнював, що кожне
поперечний переріз провідника, по якому проходить струм, стає подвійним магнітом
з протилежними полюсами. Однак Ампер запропонував інше пояснення, яке й
є самим геніальним його внеском у науку: не провідник, по якому тече струм,
стає магнітом, а, навпаки, магніт являє собою сукупність струмів.
Справді, каже Ампер, якщо ми припустимо, що в магніті присутній сукупність
кругових струмів, що течуть в площинах, точно перпендикулярних його осі, в одному й
тому ж напрямку, то струм, що йде паралельно осі магніту, виявиться спрямованим
під кутом до цих круговим струмів, що й викличе електродинамічні взаємодія,
що прагне зробити все струми паралельними і направленими в один бік. Якщо
прямолінійний провідник закріплений, а магніт рухливий, то відхиляється магніт; якщо
ж магніт закріплений, а провідник рухливий, то рухається провідник.
Легко зрозуміти, що в
той час, в 1820 р., гіпотеза Ампера здавалася виключно сміливою, і не є дивною,
тому та стриманість, з якою вона була зустрінута. Гіпотеза Біо і Араго здавалася
куди більш правдоподібною. Але коли в 1821 р. Фарадей встановив обертання струмів у
магнітному полі, Ампер зауважив, що такий ефект не можна пояснити жодним розподілом
магнітиків в провіднику, через який проходить струм; такий розподіл могло викликати
лише сили тяжіння або відштовхування, але ніяк не обертаються пару сил.
Ампер дбав більше
про те, щоб знайти дослідне підтвердження своєї власної гіпотези, ніж про критику
чужих теорій. Він подумав, що якщо магніт розуміти як систему кругових паралельних
струмів, спрямованих в один бік, то спіраль з металевого дроту, за якою
проходить струм, повинна вести себе як магніт, тобто повинна приймати певний
положення під впливом магнітного поля Землі і мати два полюси. Досвід підтвердив
припущення щодо поведінки такої спіралі під дією магніту, але не
зовсім ясні були результати досвіду, що відносяться до поведінки спіралі під дією
магнітного поля Землі. Тоді Ампер вирішив взяти для з'ясування цього питання один-єдиний
виток провідника зі струмом; виявилося, що виток веде себе точно як магнітний листок.
Таким чином виявилося
незрозуміле явище: один єдиний виток веде себе як магнітна пластина, а
спіраль, яку Ампер вважав у точності еквівалентної системі магнітних пластинок,
вела себе не зовсім як магніт. Намагаючись розібратися, в чому тут справа, Ампер з подивом
виявив, що в електродинамічних явищах спіральний провідник веде себе точно
як прямолінійний провідник з тими ж кінцями. З цього Ампер зробив висновок, що відносно
електродинамічних і електромагнітних дій елементи струму можна складати і
розкладати за правилом паралелограма. Тому елемент струму можна розкласти на дві
складові, з яких одна спрямована паралельно осі, а інша - перпендикулярно.
Якщо підсумувати результати дії різних елементів спіралі, то результуюча
виявиться еквівалентній прямолінійним току, що йде по осі, і системі кругових струмів,
розташованих перпендикулярно осі й спрямовані в один бік. Тому, щоб
спіраль, по якій проходить струм, вела себе точно як магніт, потрібно компенсувати
дію прямолінійного струму. Цього Ампер, як відомо, домігся дуже просто, вигнувши
уздовж. осі кінці провідника. Але все ж таки існувало розходження між спіраллю, за
якій проходить струм, і магнітом: полюса спіралі знаходилися тільки на кінцях, тоді
як полюси магніту - у внутрішніх точках. Щоб усунути і це останнє розходження,
Ампер залишив свою первісну гіпотезу про токах, прямо перпендикулярних осі магніту,
і прийняв, що вони розташовані в площинах, що знаходяться під різними кутами до осі.
Відразу ж після своїх
перший електродинамічних дослідів Ампер вирішив вивести формулу для величини сили,
що виникає між двома елементами струму, щоб з цієї формули можна було знайти
силу, що діє між двома частинами провідників даної форми і положення. Не маючи
можливості проводити досліди з елементами струму, Ампер в 1820 р. спробував спочатку
використовувати наступний метод: провести ретельні і численні вимірювання дії
двох кінцевих струмів різної форми і положення, потім прийняти будь-яку гіпотезу
про взаємодію двох елементів струму, вивести з неї взаємодія двох кінцевих
струмів і далі модифіковані цю гіпотезу до тих пір, поки теоретичні та експериментальні
результати не опиняться в повній відповідності. Це класичний шлях, багато разів
випробувані в подібних дослідженнях, однак Ампер незабаром переконався в тому, що
цей спосіб в даному випадку був би побудований на суцільних здогадах і бажані результати
можна отримати більш прямим шляхом.
Встановивши, що рухомий
провідник знаходиться точно у рівновазі під дією рівних сил, що викликаються нерухомими
провідниками, розміри і форму яких можна без порушення рівноваги змінювати при
дотриманні умов, допустимих досвідом, Ампер отримав можливість безпосередньо
розрахувати, яке повинно бути взаємодія двох елементів струму, щоб рівновагу
за таких умов дійсно не залежало від форми і розмірів нерухомих провідників.
Він зміг успішно застосувати цей набагато більш вузький критерій, тому що досвідченим
шляхом було визначено чотири випадки рівноваги, два з яких ще й сьогодні наводяться
в курсах фізики (рівність абсолютної величини сил, що діють на однакові струми,
поточні в протилежних напрямках; однакову дію на прямолінійний рухливий
провідник двох нерухомих провідників, прямого і вигнутого, однаково віддалених
і що мають кінці в одних і тих же точках).
Виходячи з цих чотирьох
експериментальних постулатів, Ампер шляхом досить складного докази вивів
перший з формул електродинамічного взаємодії елементів струму, за якою
наслідували багато інших формули, виведені поруч вчених (Грассманн, Вебер, Ріман
та ін.) Усі ці формули застосовувалися для розрахунку, і всі вони піддавалися критиці.
Ці формули давали величину сили, що діє між двома елементами струму, в залежності
від сил струмів, відстані між елементами та їх взаємного положення.
У ході теоретичних
досліджень з'ясувалося, що частини одного і того ж провідника повинні взаємно відштовхуватися.
Цей факт представлявся Ампер настільки важливим, що він вважав за можливе покласти
його в основу всієї електродинаміки і тому вирішив знайти йому безпосереднє експериментальне
підтвердження. Таке Ампер отримав у вересні 1822 за допомогою пристосування,
згадується ще в деяких сучасних курсах фізики. Це посудина, розділений перегородкою
на два відділення, наповнених ртуттю і з'єднаних рухомим провідником, плаваючим
в ртуті. При проходженні струму по провіднику з одного відділення в інше рухливий
провідник зміщується.
Зі своєї формули взаємодії
елементів струму, розглядаючи магніт як систему молекулярних струмів, Ампер вивів
перший закон Лапласа, а з нього способом, описуються у всіх сучасних підручниках, --
закон Біо і Саварен. Ампер вивів також закон Кулона для магнітостатіческого взаємодії
двох магнітів, що розглядаються як два струмові системи.
Інше сприятливе
для своєї теорії обставина Ампер бачив в тому факті, що незадовго до того виведена
Пуассона формула для сили дії магнітного елемента на елемент північного або
південного флюїда збігається з формулою, що виходить з його теорії для дуже маленької
замкнутої плоскою петлі струму. Звідси відразу ж випливає, що якщо замкнутий малий
плоский контур струму еквівалентний елементарному магніти, то, розкладаючи, як це
рекомендується і зараз в підручниках, кінцевий контур на окремі кільця, можна показати,
що замкнутий контур діє так само, як елементарні магніти, які
рівномірно розподілені по обмеженою цим контуром довільної поверхні так,
що їх осі нормальні поверхні. Це знаменита теорема еквівалентності Ампера.
Ампер розумів, що до
тим же перевіряється досвідом висновків можна прийти, виходячи і з інших законів взаємодії
елементарних струмів, тому особливо підкреслював інше гідність своєї теорії
- Її здатність зводити до єдиної причини (взаємодії двох елементів струму) три
види взаємодій, що здаються абсолютно різними: магнітостатіческіе, електромагнітні
і електродинамічні. Але головне достоїнство своєї формули (єдиної, яка,
на його думку, має право називатися дійсно елементарної) він бачив у тому,
що вона вигнала з фізики "обертальні сили", звівши всі сили природи
до взаємодії часток вздовж з'єднує їх прямою.
Таким чином, у цій
великій роботі, опублікованій в 1827 р. і охарактеризований як Максвелом
"довершена за формою і неперевершена за точністю", Ампер вдалося відновити
механістичний концепцію, сильно поколебленную досвідом Ерстеда. Але саме роботи
того ж Максвелла дозволили встановити, що це всього лише "латка".
Вебер поклав в основу
своєї теорії електричного струму, що розглядається як справжній потік заряджених
частинок, електромагнітне дію рухомого заряду; Максвелл також прийняв цю
концепцію. За порадою Гельмгольца Роуланд в 1876 р. за допомогою класичного експерименту,
викликав тривалу дискусію, що припинила практично лише в 1903 р. завдяки
Пуанкаре, довів, що рухається по колу електричний заряд надає на
магнітну стрілку точно таку ж дію, як і круговий струм. Більш того, при збільшенні
швидкості заряду зростає і сила, що діє на кожний полюс стрілки, тобто величина
сили залежить від швидкості заряду. Тим часом для механістичній концепції характерно
пояснення всіх явищ силами, які залежать лише від відстані між частинками. Досвід
Роуланд не тільки підтверджував існування "обертальних сил", але вводив
новий елемент, абсолютно чужий механістичній концепції і тому сильно її похитнути.
Однак повернемося ще раз до роботи Ампера.
Залишивши осторонь його
різку полеміку з Біо, повну особистих випадів, ми хочемо зауважити, що Ампер пояснює,
як це він вже робив і в 1821 р., земний магнетизм існуванням внутрішніх струмів
в земній кулі - це одна з численних і малоудовлетворітельних теорій, що намагаються
пояснити земний магнетизм.
У 1822 р. Леопольд нобілі
підкріпив погляд Ампера, створивши "прилад", що складається з "... сферичного
кулі, обмотаного металевою дротом в напрямку паралелей, яка з'єднується
кінцями з цинковим і мідним електродами вольтова стовпа ".
Цей прилад у деяких
курсах фізики називають "кулею Барлоу", хоча Барлоу представив його опис
в Королівський інститут лише 26 травня 1824, тобто через два роки після опублікування
статті нобілі.
Укладач к.т.н Савельєва
Ф.
Список літератури
Для підготовки даної
роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
