Міністерство освіти РФ

Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет (ЛЕТІ)

Факультет електротехніки та автоматики

Кафедра Електротехнологічні та перетворювальної техніки

РЕФЕРАТ

на тему: А. М. Ампер - основоположник електродинаміки        

Студент гр.7421         

Горохів Н.А.             

Керівник         

Любомиров А.М.     

Санкт - Петербург

2001
ЗМІСТ                 Стор.              Початок наукової діяльності вченого ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ....          3              Уявлення про зв'язок між електрикою і магнетизмом до Ампера ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..            5             Електродинаміка Ампера ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...          10              Інші праці Ампера ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..          15              СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ..          18     

Початок наукової діяльності вченого

Андре-Марі Ампер народився 20 січня 1775 року в Ліоні в родині освіченого комерсанта. Батько його незабаром переселився з родиною в маєток полем, розташоване в околицях Ліона, і особисто керував вихованням сина. Вже до 14 років Ампер прочитав всі 20 томів знаменитої "Енциклопедії" Дідро і Д'Аламбера. Виявляючи з дитинства велику схильність до математичних наук, Ампер до 18 років досконало вивчив основні праці Ейлера, Бернуллі і Лагранжа. На той час він добре володів латиною, грецькою та італійською мовами. Іншими словами, Ампер отримав глибоке і енциклопедичне освіту.

У 1793 році в Ліоні спалахнув чужої землі. Батько Ампера - жирондисти, який виконував обов'язки судді при бунтівників, після придушення заколоту був страчений як спільник аристократів. Майно його було конфісковано. Юний Ампер почав свою трудову діяльність з приватних уроків. У 1801 році він зайняв посаду викладача фізики і хімії центральної школи в місті Бург. Тут він написав першу науковий працю, присвячену теорії ймовірності "Досвід математичної теорії ігор". Ця робота привернула увагу Д'Аламбера і Лапласа. І Ампер став викладати математику та астрономію в Ліонському ліцеї. У 1805 році Ампер був призначений репетитором з математики у знаменитій Політехнічної школі в Парижі і з 1809 року завідував кафедрою вищої математики і механіки. У цей період Ампер публікує ряд математичних праць з теорії рядів. У 1813 році його обирають членом Інституту (тобто Паризької Академії наук) на місце помер Лагранжа. Незабаром після обрання Ампер доповів в Академію своє дослідження про ламанні світла. До цього ж часу відносяться його знамените "Лист до г.Бертолле", в якому Ампер сформулював відкритий ним незалежно від Авогадро хімічний закон, іменований нині законом Авогадро-Ампера.

В 1816 році Ампер опублікував свою класифікацію хімічних елементів, першим в історії хімії серйозну спробу розташувати хімічні елементи за їх подібністю між собою.

Відкриття Ерстед в 1820 році дії електричного струму на магнітну стрілку привертає увагу Ампера до явищам електромагнетизму. Ампер ставить численні досліди, винаходить для цієї мети складні прилади, які виготовляє за свій рахунок, що сильно підриває його матеріальне становище.

З 1820 по 1826 Ампер опублікував ряд теоретичних та експериментальних праць з електродинаміки і майже на тижні виступав з доповідями до Академії наук. У 1822 році він випустив "Збірка спостережень за електромагнетизму", в 1823 році - "Конспект теорії електродинамічних явищ "і, нарешті, у 1826 році - знамениту" Теорію електродинамічних явищ, виведених виключно з досвіду ". Ампер отримує всесвітню популярність як видатний фізик.

Уявлення про зв'язок між електрикою і магнетизмом

до Ампера

Ампер дав назву "електродинаміка" сукупності нових електричних явищ і відмовився від поняття "електромагнетизм", яке тоді вже фігурувало в термінології фізики. Ампер відкинув поняття "електромагнетизм", очевидно, з тієї причини, що вважав теорію явищ, що відбуваються при взаємодії струмів, що не потребують гіпотезі того часу про магнітної рідини. Він вважав, що поки мова йде тільки про взаємодії між струмом і магнітом, найменування "електромагнітні явища" було цілком доречно, тому що воно мало на увазі одночасне прояв електричних та магнітних ефектів, відкритих Ерстед. Але коли було встановлено взаємодію між струмами, честь відкриття якого належить Ампер, то стало ясно, що тут беруть участь не магніти, а дві або кілька електричних струмів. "Оскільки явища, - писав він, - про які тут йде мова, можуть бути викликані лише електрикою, що знаходиться в русі, я вважав за потрібне позначити їх найменуванням електродинамічні явища ".

Історія електрики і магнетизму багата спостереженнями та фактами, різними поглядами та уявленнями про схожість і відмінність електрики і магнетизму.

Вперше властивості магнітного залізняку і бурштину описав Фалес в 6 столітті до н.е., що зібрав значний матеріал спостережень. Його досліди були чисто умоглядними, не підтвердженими дослідами. Фалес дав малопереконливо пояснення властивостям магніту або натертого бурштину, приписуючи їм "натхненність". Через століття після нього Емпедокл пояснював тяжіння заліза магнітом "закінчення". Пізніше подібне ж пояснення в більш категоричній формі було представлено в книзі Лукреція "Про природу речей". Висловлювання про магнітні явища були і в творах Платона, де він описував їх у поетичній формі.

Уявлення про сутність магнітних дій були у вчених більш близького до нас часу - Декарта, Гюйгенса і Ейлера, причому ці уявлення в деяких відношеннях не дуже відрізнялися від уявлень древніх філософів.

З часів античності до епохи Ренесансу магнітні явища використовувалися або як засіб розваги, або як корисний пристрій для вдосконалення навігації. Правда, у Китаї бусоль застосовувалася для навігації ще до нашої ери. У Європі вона стала відома лише в 13 столітті, хоча вперше згадується в працях середньовічних авторів - англійця Некаме і француза гіо де Провенс в кінці 12 століття.

Першим експериментатором, що зайнялися магнітами, був Петро Перегрін з Марікура (13 століття). Він досвідченим шляхом встановив існування магнітних полюсів, тяжіння різнойменних полюсів і відштовхування однойменних. Розрізаючи магніт, він виявив неможливість ізолювати один полюс від іншого. Він виточив сфероїд з магнітного залізняку і намагався експериментально показати аналогію в магнітному відношенні між цим сфероїд і землею. Цей досвід згодом ще більш наочно відтворив Гільберт, 1600 рік.

Потім у галузі вивчення магнітних явищ настав майже трехвековое затишшя.

Старовинні (наприклад, Теофраст) в 4 столітті до н.е. виявили, що, крім бурштину, і деякі інші речовини (гагат, онікс) здатні в результаті тертя набувати властивостей, згодом названий електричними. Проте протягом тривалого часу ніхто не зіставив магнітні й електричні дії і не висловив думки про їх спільності.

Одним з перших середньовічних вчених (а можливо, і самим першим), хто вів попутне спостереження фактів, що можуть навести на уявлення про взаємодії, схожості або різниці електричних та магнітних явищ, був Кардан, який вніс у це питання деяку впорядкованість. У творі "Про точність" 1551 року він вказує на встановлення ним у результаті експериментів безумовного відмінності між електричними і магнітними тяжіння. Якщо бурштин здатний притягувати всякі легкі тіла, то магніт притягує тільки залізо. Наявність перешкоди (наприклад, екрану) між тілами припиняє дію електричного тяжіння легких предметів, але не перешкоджає магнітному тяжінню. Бурштин не притягається тими шматочками, які він сам притягує, а залізо здатне притягувати сам магніт. Далі: магнітне тяжіння спрямована переважно до полюсів, легкі ж тіла притягуються всією поверхнею натертого бурштину. Для створення електричних притягання необхідні, на думку Кардано, тертя і теплота, в той час як природний магніт проявляє силу тяжіння без будь-якої його попередньої підготовки.

Найбільш яскравий експериментальний метод і саме в області магнітних і електричних явищ освоїв Вільям Гільберт, який відновив прийоми Петра Перегрін і розвинув їх. Видання, що вийшло в 1600 році його твір про магніти включало шість книг і склало епоху в науковій літературі. Воно стало джерелом, яким користувався Галілей і Кеплер, коли пояснювали ексцентричність орбіт притягання і відштовхування між сонячними і планетарними магнітами. Гільберт викладає міркування про подібності і розходження магнітних і електричних явищ і приходить до висновку, що електричні явища різняться від явищ магнітних.

У 1629 році Ніколо Кабе опублікував твір про магнітної філософії, в якому вперше вказав на існування електричних відштовхувань. Кабе, як і Гільберт, висловлював думку про "сфери дії" магніту, яка обмежується деякими простором навколо тіла. Так ще неясно намічалося подання про магнітне поле. Ця думка з більшою визначеністю була висловила Кеплером, який прийшов до поняття "лінії дії", що становлять у своїй сукупності "сферу дії" навколо кожного з полюсів.

Тоді явища електрики і магнетизму пояснювалися дією невидимої найтоншої рідини - ефіру. У 1644 році Декарт опублікував свою відому працю "Принципи філософії", де було приділено місце питань магнетизму і електрики. За Декарту, навколо кожного магніту існує якнайтонше речовина, що складається з невидимих вихорів.

Думка Гільберта про докорінну відмінність між електрикою і магнетизмом міцно утримувалося в науці більше півтора століття.

Ф. У. Т. Епінус, який займався дослідженням електрики і магнетизму, змусив учених звернутися до питання про подібність цих двох явищ. Він також поклав початок новому етапу в історії теоретичних досліджень у цій галузі, - він звернувся до розрахункових методів дослідження.

На новому етапі розвитку теорій електрики і магнетизму, відкритому працями Епінуса, особливо важливими були роботи Кевендіша і Кулона. Кевендіш у своєму творі 1771 розглянув різні закони електричних дій з точки зору зворотної їх пропорційності відстані (1/rn). Величину n він затвердив рівною 2. Він вводить поняття про ступінь наелектрізованності провідника (тобто ємності) і про урівнювання цього ступеня у двох наелектризованих тіл, з'єднаних між собою провідником. Це перше кількісне уточнення про рівність потенціалів.

У 1785 році Кулон виробив свої знамениті дослідження кількісних характеристик взаємодії між магнітними полюсами, з одного боку, і між електричними зарядами - з іншого. Крім того, він ввів поняття про магнітне момент і приписав ці моменти матеріальним часткам.

Ось приблизно сукупність тих уявлень, які могли виникнути у Ампера до 1800 року, коли вперше був отриманий електричний струм, і почалися дослідження явищ гальванізму.

Нова епоха в області електрики і магнетизму почалася на рубежі 18 і 19 століть, коли Олександро Вольта опублікував повідомлення про спосіб здійснювати безперервний електричний струм. Слідом за цим досить швидко за історичними мірками були відкриті різноманітні дії гальванічного електрики, тобто електричного постійного струму; зокрема здатність струму розкладати воду та хімічні з'єднання (Карлейль і Нікольсон, 1800; Петров, 1802; Люссак і Готра, 1808; Деві, 1807); виробляти теплові дії, нагріваючи провідник (Тенар, 1801, і інші), і багато іншого.

Історичне відкриття, настільки важливе для подальшого розвитку науки про електрику і магнетизм і одержало назву електромагнетизму, відбулося в 1820 році. Воно належало Г. Х. Ерстед, вперше помітив дію провідника зі струмом на магнітну стрілку компаса.

Електродинаміка Ампера

До 1820 року Ампер звертався до вивчення електрики лише випадково. Проте з моменту, коли з'явилися перші відомості про відкриття Ерстед дій струму на магніт, і до кінця 1826 Ампер вивчав явища електромагнетизму наполегливо і цілеспрямовано. Ампер сам заявляв, що головний поштовх його дослідженням у галузі електродинаміки дало відкриття Ерстеда. До відкриття Ампером механічних взаємодій між провідниками, по яких протікає, вченого призвели логічні передумови: два провідники, на які діє магнітна стрілка і кожен з яких у свою чергу за законом дії та протидії діє на неї, повинні якимось чином діяти і один на одного. Математичні ж знання допомогли йому виявити, яким чином взаємодія струмів залежить від їх розташування та форми.

У протоколі Академії наук від 18 вересня 1820 року, через тиждень після того, як Ампер стало відомо про дослідах Ерстеда, були записані такі слова Ампера: "Я звів явища, що спостерігалися Ерстед, до двох загальним фактами. Я показав, що струм, який знаходиться в стовпі, діє на магнітну стрілку, як і струм в сполучної дроті. Я описав досліди, за допомогою яких констатував тяжіння або відштовхування всій магнітної стрілки з'єднувальним проводом. Я описав прилади, які я маю намір побудувати, і, серед інших, гальванічні спіралі і завитки. Я висловив ту думку, що ці останні повинні проводити у всіх випадках такий же ефект, як магніти. Я займався також деякими подробицями поведінки, приписуваного мною магнітів, як виключного властивості, що походить від електричних струмів в площинах, перпендикулярних до їхні осі, і від подібних же струмів, існування яких я допускаю в земній кулі, у зв'язку з цим я звів всі магнітні явища до чисто електричним ефектів. "

Проходить ще тиждень. На засіданні 25 вересня 2001 Ампер знову виступив з повідомленням, в якому він розвиває раніше викладені міркування. Протокольна запис Академії наук говорить: "Я надав великий розвиток цієї теорії, і розповів про новий факт тяжіння і відштовхування двох електричних струмів без участі будь-якого магніту, а також про факт, який я спостерігав з спіралеподібних провідниками. Я повторив ці досліди під час цього засідання. "

Потім виступи Ампера в Академії наук слідували одна за одною. Це було в житті Ампера час, коли він весь був поглинений дослідами і розробкою теорії.

Роботи Ампера, пов'язані з електродинаміки, що розвивалися логічно і пройшли через кілька етапів, будучи тісно між собою пов'язані. Початкові його дослідження в цій області стосувалися з'ясування дій електричного кола, по якій проходить струм, на іншу ланцюг і оцінювали явища лише якісно. Ампер був першим, хто виявив дію струму на тік, він був першим, хто поставив досліди для з'ясування цього.

Ранні роботи Ампера з електродинаміки дозволяють припускати, що його початкові уявлення про електриці зводилося до "макроскопічними" струмам: частки в стержні сталевого магніту діяли як пари, що складають вольтів стовп, і, таким чином, навколо стрижня опинявся соленоідообразний електричний струм. Думка про молекулярних електричних токах у нього виникла пізніше.

Вихідним матеріалом для Ампера служили досліди і спостереження. Експериментуючи, він користувався різноманітними прийомами і апаратурою, починаючи з простих комбінацій провідників або магнітів і закінчуючи побудовою досить складних приладів. Результати дослідів і спостережень служили для нього підставою для пояснення характеристик або властивостей явищ, створення теорії та вказівки можливих практичних висновків. Потім Ампер математично обгрунтовував висловлену ним теорію; це іноді потребувало спеціальних математичних методів, ніж Ампера і доводилося попутно займатися. У підсумку Ампер створив міцну основу для нового розділу фізики, названого їм електродинаміки.

Основні ідеї електродинаміки Ампера такі. По-перше, взаємодії електричних струмів. Тут робиться спроба розмежувати дві характеристики станів, що спостерігається в електричному ланцюзі, і дати їм визначення: це - електричне напругие і електричний струм. Ампер вперше вводить поняття "електричний струм", і слідом за цим поняття "напрям електричного струму". Для констатації наявності струму і для визначення його напрямку та "енергії" Ампер пропонує користуватися приладом, якому він дав назву гальванометра. Таким чином, Ампер належить ідея створення такого вимірювального приладу, який міг би служити для вимірювання сили струму.

Ампер вважав за потрібне внести також уточнення до найменування полюсів магніту. Він назвав південним полюсом магнітної стрілки той, що звернений на північ, а північним полюсом той, який спрямований на південь.

Ампер чітко вказує на відмінність між взаємодією зарядів і взаємодією струмів: взаємодія струмів, припиняється з розмиканням ланцюга; в електростатики тяжіння виявляється при взаємодії різнойменних електрики, відштовхування - при однойменних; при взаємодії струмів картина зворотна: струми одного напряму притягуються, а різних знаків - відштовхуються. Крім того, він виявив, що тяжіння і відштовхування струмів у вакуумі відбувається так само, як у повітрі.

Перейшовши до дослідження взаємодій між струмом і магнітом, а також між двома магнітами, Ампер приходить до висновку про те, що магнітні явища викликаються виключно електрикою. Грунтуючись на цій своїй ідеї, він висловлює думку про тотожність природного магніту та контуру зі струмом, названого їм соленоїдом, тобто замкнене струм повинен вважатися еквівалентним елементарному магніту, який можна собі уявити у вигляді "магнітного листка" - нескінченно тонкої пластини магнітного матеріалу. Ампер формулює наступну теорему: 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 і той самий магнітний момент. Думка про тотожність дії магнітного листка і елементарного кругового струму підтвердилася математично за допомогою теореми Ампера про перетворення подвійного інтеграла по поверхні в простій інтеграл по контуру.

Другий параграф розглянутого мемуари присвячений орієнтуванні електричних струмів під дією земної кулі. Ампер хотів перевірити за допомогою електричних струмів вже добре відомий ефект: як дію земної поля впливає на відхилення і нахил магнітної стрілки. Досліди підтвердили, що Земля є великий магніт, який має свої полюси, здатний діяти на інший магніт і на струми. Підтвердилося думку Ампера про направлення земних електричних струмів, і все виявилося в повній згоді з Амперовой теорією магнетизму.

Другий фундаментальну працю Ампера, зміст якого передруковувалося в інших джерелах, називається "Про виведення формули, що дає вираз для взаємодії двох нескінченно малих відрізків електричних провідників ". Ця робота присвячена математичному виразу для сили взаємодії між двома нескінченно малими струмами, розташованими довільно в просторі. Ампер зробив тут припущення, що сили включені до середини струмів і діють по прямій лінії, що проходить через ці середини. Дія, за Ампер, має залежати від відстані між струмами і від кутів між струмом з лінією, що з'єднує їх середини. Сила взаємодії, отже, повинна була мати загальний вираз в такому вигляді:

df = ii