Науковий
подвиг "Ньютона електрики"
Ян Шнейберг
Сьогодні мова піде про наукові досягнення знаменитого вченого,
який ввів в науку термін «електричний струм», поняття про направлення електричного
струму і за півтора століття передбачив виникнення науки про загальні закономірності процесу
управління, зв'язку і організованих системах - кібернетики.
Ньютон електрики
Зірковий час в житті Ампера настав у вересні 1820 р.,
коли він вперше дізнався про відкриття датським фізиком Г. Х. Ерстед (1819) дії
електричного струму на магнітну стрілку і зайнявся повторенням його дослідів.
Потрібно сказати, що якби Ампер обмежився тільки дослідженнями
в галузі математики, то навряд чи він був би відомим у наш час. А може, і взагалі
виявився б забутим як обдарований математик, якому нелегко було би прославитися
на тлі таких його сучасників, як Лаплас, Фур'є, Коші.
Повідомлення про відкриття Ерстеда було зроблено на засіданні
французької Академії наук відомим вченим іншому Ампера академіком Д. Ф. Араго.
На одному з цих засідань, де був присутній Ампер, Араго повторив досліди Ерстеда.
До цього Ампер серйозно не займався дослідженнями в області електромагнетизму.
Влітку 1820 Ампера в Парижі не було, і він не тільки не був знайомий з невеликим
мемуарів Ерстеда, але і нічого не знав про його експериментах.
Якщо більшість присутніх на засіданні академіків,
не займалися вивченням електричних явищ, особливого інтересу до відкриття Ерстеда
не виявили, то Ампер буквально був вражений цим експериментом. Обдарована від природи
незвичайними здібностями, який мав енциклопедичні знання в області
природничих наук і завидною почуттям наукового передбачення, Ампер інтуїтивно зрозумів
значення цього відкриття для майбутніх успіхів в області електромагнетизму. Він негайно
закинув всі справи і з головою поринув у вивчення нового, раніше невідомого явища.
Перш за все він ретельно повторив досліди Ерстеда і відразу
ж відзначив неточність його висновків, тому що Ерстед не врахував дії на магнітну
стрілку магнітного поля Землі. І вже через тиждень (всього через тиждень!) Ампер виступає
на засіданні Академії наук з доповіддю про свої нові відкриття в галузі електромагнетизму.
А потім майже підряд тиждень за тижнем (на регулярних засіданнях Академії) викладає
перед найбільшими вченими результати своїх експериментальних і теоретичних досліджень,
які пізніше були узагальнені в його знаменитій праці з електродинаміки.
Араго зауважив, що дріт з м'якого заліза намагнічіва.
Ампер порадив Араго замінити прямолінійну дріт дротяної спіраллю, при
це вміщена всередині спіралі металева голка намагнічується більш інтенсивно.
Так було створено перший соленоїд, магнітні властивості якого були аналогічні постійному
магніту з двома різнойменними полюсами.
Ампер разюче наочно продемонстрував магнітні
властивості дроту, зігнутою в кільце, аналогічні «тонкому листком» постійного
магніту. І кільце, і «листок» мали різнойменні магнітні полюси, що переконливо
підтверджувало електричну природу магнетизму.
Соленоїд можна представити як сукупність нескінченно
малих зімкнутих кругових струмів, перпендикулярних до однієї і тієї ж лінії, що проходять
через їх центр ваги і мають однакове напрямок. Ампер стверджує, що
«Який завгодно малий замкнутий струм діє на будь-який магнітний полюс, так само як
буде діяти малий магніт, поміщений на місці струму, що має ту ж магнітну
вісь ». Ампер неодноразово підкреслює, що «єдиною причиною електромагнітних
явищ є електрику ».
Вражає, що ніхто до Ампера не прийшов, здавалося,
до очевидного висновку: якщо круговий струм аналогічний магніту, то і взаємодія кільцевих
провідників зі струмом повинно бути аналогічним взаємодії магнітів.
Перш ніж розглянути роботи Ампера з лінійними струмами,
відзначимо, що він вперше ввів у науку термін «електричний струм» і поняття про направлення
електричного струму. Він запропонував вважати за напрямок струму напрямок позитивного
електрики «від плюса до мінуса» в зовнішній ланцюга. Він зумів сформулювати і ще
одне важливе правило - про направлення відхилення магнітної стрілки в залежності від
напряму струму в провіднику. Це правило стало відомим під назвою «правило
плавця »і формулювалося наступним чином:« Якщо в думках розташуватися людині
уздовж провідника зі струмом так, щоб струм проходив по напрямку від ніг спостерігача
до голови і щоб обличчя його було звернене до магнітною стрілкою, то під впливом струму
північний полюс магнітної стрілки завжди буде відхилятися вліво ».
Слід зазначити, що Ампер був насамперед теоретиком
і експериментами займався рідко. Але в даному випадку він відчув необхідність
перевірки на досвіді правильності своїх ідей, і сам спорудив кілька оригінальних
приладів, лише іноді вдаючись до допомоги слюсаря.
Для дослідження лінійних струмів Ампер створив так званий
«Верстат Ампера» (див. малюнок). За допомогою цього оригінального пристрою він міг спостерігати
зміни положення рухомого провідника від іншого - нерухомого. Він експериментально
довів, що два «лінійних» струму притягує або відштовхують один одного в залежності
від того, мають струми однакове напрямок або різне.
На підставі численних експериментів Ампер сформулював
закон взаємодії «лінійних» струмів: «два паралельних і однаково спрямованих
струму взаємно притягуються, тоді як два паралельних і протилежно направлние
явища Ампер запропонував назвати «електрдінаміческімі», на відміну від відомих електростатичних
явищ. Пізніше електродинаміка перетворилася на один з найважливіших розділів фізики.
Дослідження Ампера помітно відрізнялися від робіт деяких
вчених, які займалися вивченням явищ електромагнетизму,
але обмежується лише якісними спостереженнями
і не намагалися з'ясувати механізм процесів, що відбуваються, а тим більше узагальнити їх.
Ампер ж не тільки дав глибокий аналіз спостерігалися явищ,
але, що дуже важливо, зумів теоретично узагальнити результати експериментів і вивести
формулу, що дозволяє визначити силу взаємодії
струмів, зробивши, як писав один з біографів, «немеркнучий внесок, що залишився на все
часи у скарбниці науки ».
Подібно Кулон, що встановив закон взаємодії електричних
зарядів, Ампер, спираючись на принципи Ньютона про взаємодію мас, уподібнював цим
масам два елементи струму, довільно розташованих в просторі. При цьому Ампер
припускав, що взаємодія елементів струму відбувається по прямій, що проходить
через середини цих елементів, і що воно пропорційно довжині елементів струмів і
величиною самих струмів. Він також встановив, що сила взаємодії між струмами залежить
від кутів між елементами струмів і лінією, що з'єднує їх середини. Вимірювання сили
взаємодії струмів було надзвичайно складним, тому що ніяких вимірювальних
приладів не існувало.
Ампером був придуманий і виготовлений ряд приладів, за допомогою
яких він, володіючи великими математичними знаннями, зумів виконати досить
точні вимірювання сили взаємодії струмів.
Пізніше великий Максвелл відзначив ці виміри як надзвичайно оригінальні.
Далеко не всім відомо, що Ампер був одним з піонерів
електрометрії. У наш час величезну роль у дослідженні електротехніки та електрозв'язку
відіграє точність вимірювань. Одним з перших електровимірювальних приладів був гальванометр.
Зазвичай в літературі створення гальванометра пов'язують з ім'ям німецького фізика професора
Йоганна С.Х. Швейггера, який у вересні 1820 демонстрував прилад, названий
їм «мультиплікатором». Прилад представляв собою рамку з струмом, всередині якої на
осі містилася магнітна стрілка, відхиляються при проходженні по рамці струму. Ампер
в цей час ще тільки вивчав досліди Ерстеда.
Ознайомившись з приладом Швейггера, Ампер відразу ж вказав
на його неточність - в ньому не враховувалася дію на магнітну стрілку магнітного
поля Землі. Для усунення цього впливу Ампер в 1821 р. запропонував «астатичними
пару », що представляє собою дві магнітні стрілки, укріплені на загальній мідної осі
паралельно один одному з полюсами, оберненими в різні боки. Таку пару використовував
в мультиплікаторі в 1825 р. флорентійський професор Л. нобілі. Цей прилад став
прообразом гальванометра, і термін «гальванометр» Ампер вперше вживає у своїх
роботах.
Серед електровимірювальних приладів, запропонованих Ама »,
призначене для зміни напрямку струму в провідниках. Він також першим став
застосовувати підключення струмоведучих елементів приладів за допомогою чашок з ртуттю.
Незважаючи на що, що Академія наук не виділяла коштів
на проведення експериментальних досліджень, Ампер, нерідко сам потребує засобах,
будував необхідні прилади на свої заощадження. До наших днів зберігся старовинний
столик, зроблений руками Ампера, на якому він виконав найголовніші досліди в маленькій
кімнатці своєї скромної квартири на вулиці Фоссе-де-Сен-Виктор.
У Німецькому музеї шедеврів науки і техніки зберігаються оригінальні
прилади Ампера, за допомогою яких він провадив досліди взаємодії між полюсами.
У ілюстрованому путівнику по музею сказано, що «прилади Ампера належать
до числа дорогоцінних документів музею. Непоказні, вкриті сургучем складові
дротові контури, що висять і обертаються в чашках з ртуттю, з'єднані з перемикачем
струму, вони поміщені в шафі, прикрашеному багатим різьбленням і портретом Ампера ».
Видатним внеском Ампера в теорію електрики і магнетизму
з'явилася його справді революційна теорія про причину магнетизму, що грунтувалася на
уявленнях про молекулярні токах. Ампер рішуче відкидає наявність «особливої»
електричної та магнітної рідин і стверджує, що «всі магнітні явища ...
зводяться до суто електричним дій. Магнетизм будь-якої частинки обумовлений
наявністю кругових струмів в цій частці, а властивості магніту в цілому обумовлені електричними
струмами, розташованими в площинах, перпендикулярних до його осі ». Розроблена
Ампером гіпотеза кругових молекулярних струмів стала новим прогресивним кроком на
шляху до матеріалістичної трактуванні природи магнітних явищ.
Нова теорія Ампера не відразу здобула визнання навіть таких
великих фізиків, як Фарадей і Деві. Після листування Ампера з Фарадеєм і Деві їх
погляди на теорію Ампера змінилися. Так, Фарадей писав Ампер: «Прогрес електромагнетизму
розвивається таким чином, що доводиться безперервно посилатися на Ваше ім'я, і в
цих випадках я подумки пишаюся нашими відносинами і їх основою ». Деві також писав
Ампер, що «... його погляди повні новизни і винахідливості і заслуговують глибокого
уваги з боку філософів усіх країн ». Протягом 1824 - 1826 рр..
Ампер працював над своїм капітальним працею «Теорія електричних
явищ, виведена виключно з досвіду ». Ця праця вийшов у світ в 1826 р. і
містив всі доповіді вченого протягом 1820 - 1825 рр..
Блискучу за формою і змістом оцінку «Теорії» Ампера
дав Максвелл: «експериментальний метод, за допомогою якого Ампер встановив закони
механічної взаємодії електричних струмів, складає одну з найбільш блискучих
досягнень науки. Здається, ніби вся ця сукупність теорій і досвіду у всій своїй
мощі в повному своєму озброєнні вискочила з голови «Ньютона електрики». Форма
її досконала, строгість бездоганна ... ».
Читачам жур стояв біля джерел електромагнітного телеграфу.
У своєму виступі на засіданні Академії наук у жовтні 1820 він вперше запропонував
використовувати відхилення магнітної стрілки під впливами електричного струму
для передачі на відстані букв алфавіту. «Поміщаючи кожну букву на окремій стрілці,
можна влаштувати свого роду телеграф за допомогою одного вольтова стовпа, розташованого
далеко від стрілок ». Причому особі, що спостерігало б за літерами над стрілками, можна
було передавати відомості з усіма подробицями і через будь-які перешкоди.
А на передавальної станції близько вольтова стовпа «встановити клавіатуру з літерами та
виробляти з'єднання натисненням клавіш ... і цей спосіб повідомлення міг би застосовуватися
достатньо просто ...».
Як відомо, раніше для цілей телеграфування пропонувалося
використовувати електростатичні заряди і електрохімічні реакції в судинах з рідиною.
Але ідея електромагнітного телеграфу належить безперечно Ампер. Правда, Ампер
припускав, що для пристрою електромагнітного телеграфу буде потрібно використовувати
стільки проводів і магнітних стрілок, скільки є літер ». Проте, якби він зайнявся
пристроєм такого телеграфу, то при його надзвичайної винахідливості прийшов би
до необхідності скорочення числа передавальних проводів і магнітних стрілок, як це
зробив у 1832 р. творець першого практично придатного стрілочного електромагнітного
телеграфу наш співвітчизник П.Л. Шиллінг.
На жаль, Ампер вже був зайнятий дослідженнями електродинамічних
взаємодій струмів і магнітів і, крім того, в цей час його здоров'я серйозно
погіршується - нерідко він був змушений тимчасово припиняти свої дослідження. Але Ампер
створив необхідні передумови для конструювання перших практично придатного
електромагнітного телеграфу і тим самим вніс свій внесок у практичне застосування
електромагнетизму. Електромагнітний телеграф незабаром став міжнародним засобом
зв'язку - першим масовим застосуванням електрики.
Заслуговує на увагу серія експериментів Ампера, які,
як він писав у 1822 р., «показали можливість одержання струмів через вплив». Але
він уважно не зайнявся дослідженням цього явища. Тільки після отримання звістки
про відкриття Фарадеєм у 1831 р. явища електромагнітної індукції Ампер з жалем
зазначив, що «тримав у руках» цей фізичний ефект, «не усвідомлюючи цього повною
мірою ».
У 1824 р., коли Ампера обрали професором фізики одного
з найбільших вищих навчальних закладів Франції Колеж де Франс, він вирішив присвятити
свою педагогічну діяльність тільки викладання фізики і залишався на цій
посаді до кінця своїх днів. З-за скрутних матеріальних обставин він продовжував
працювати інспектором університету «на половинному окладі».
Ми свідомо не розглядаємо надзвичайно цікаві
роботи Ампера в області механіки, хімії, біології та оптики, його надзвичайне пророкування
про те, що в майбутньому виникне наука про загальні закономірності процесу управлеемах.
Він же дав назву цій науці - кібернетика, яка виникла лише через півтора
століття після того, як Ампер вказав її в розроблених ним таблицях «класифікації
наук ».
Можна тільки уявити, скільки нових відкриттів зробив
б цей геніальний вчений, якби останні два десятиліття свого життя не страждав
від нападів тяжкої хвороби серця і легенів і від передчасно втрат близьких і
дорогих йому батька, матері і дружини. Незважаючи на це, він продовжував працювати і протягом
багатьох років не припиняв відряджень. Одна з таких в червні 1836 р. в Марсель виявилася
останньою. 10 червня далеко від рідних місць у яскравий сонячний день на 62 році життя
великий учений помер.
До 1869 останки Ампера спочивали в Марселі, а потім
були перенесені на Монмартское кладовищі в Парижі в родинний склеп. На надгробку
Ампера вигравіруваний епітафія: «Він був такий добрий і так само простий, як і великий».
Ім'я вченого було увічнено в 1893 р. на Міжнародному
конгресі електриків у Чикаго, який дав одиниці сили струму назву «ампер». Тепер
прізвище геніального вченого знають усі.
Наукові заслуги Ампера отримали визнання найбільших наукових
установ світу. Він був почесним членом десятків академій і наукових товариств у Франції,
Америці, Італії, Німеччини, Швейцарії. У 1830 р. він був обраний почесним іноземним
членом петербурзької Академії наук. В Америці в штаті Нью-Джерсі один із залізничних
станцій отримала назву «Ампер», а на будівлі вокзалу було встановлено меморіальний
медальйон на честь Ампера. Його ім'я присвоєно промислового містечка, де був побудований
електротехнічний завод однієї з найбільших американських фірм. Садиба біля Парижа
Полем, де багато років жив Ампер, перетворилася на національний музей.
Надзвичайно урочисто внайбільших країнах світу було
відзначено сторіччя від дня смерті Ампера. На
урочистості в Ліоні була запрошена делегація Академії наук СРСР, а в Москві відбулося
ювілейне засідання Академії наук, де з доповідями про внесок Ампера у світову науку
виступили найбільші вчені-академіки нашої
країни.
На закінчення кілька слів про долю праць Ампера в області
електромагнетизму і оцінці його справжніх заслуг перед наукою. Як відомо з історії
науки, праці багатьох видатних учених не були по достоїнству оцінені їх сучасниками.
Ампер зайнявся дослідженням явищ електромагнетизму, коли йому вже було більше
45 років. До цього він з успіхом займався математикою, хімією, ботанікою, оптикою,
філософією, продовжував ці дослідження і після завершення робіт з електромагнетизму,
які тривали всього сім років. Тому після його смерті далеко від Парижа до
протягом деякого часу було опубліковано кілька статей його колег, теми яких
не мали відношення до електромагнітних явищ.
Виняток становить лише «Схвальне слово» про Ампера.
Його автор, близький друг і соратник Ампера Ф. Араго в 1839 р. на засіданні Академії
наук віддав належне заслугам вченого в галузі електромагнесо дня народження
Ампера в 1875 р. була видана частина листування вченого. Але,
по-перше, вона була дуже короткою, а по-друге, дуже мало стосувалася його робіт з
електромагнетизму.
Популяризації праць вченого сприяло рішення Міжнародного
конгресу електриків назвати одиницю сили струму «Ампера». Після цього майже на чверть
століття публікації про Ампер припинилися. Але наближалося сторіччя з дня видатних
досліджень з електродинаміки, перші повідомлення про які Ампер зробив у 1820
р. До цього часу були досягнуті величезні успіхи в області електромагнетизму і
електрозв'язку, біля витоків яких стояли Ампер і Фарадей. Були перевидані найголовніші
праці Ампера з електродинаміки і більш повна листування, а також щоденники, містили
цінні думки та ідеї вченого, що набагато випередив свій час.
Французька Академія наук і науково-технічна громадськість Франції організували
в 1921 р. наукову конференцію, присвячену пам'яті Ампера. У доповідях вчених вперше
була дана гідна оцінка праць Ампера з сучасної точки зору. Як писав один
з біографів: «Це був перший випадок, коли Франція надала виняткову честь
свого великого співвітчизника ».
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані матеріали
з сайту http://www.connect.ru/
