Статья: Научный подвиг «Ньютона электричества»
Сообщение об открытии Эрстеда было сделано на заседании французской Академии наук известным ученым другом Ампера академиком Д. Ф. Араго. На одном из этих заседаний, где присутствовал Ампер, Араго повторил опыты Эрстеда. До этого Ампер серьезно не занимался исследованиями в области электромагнетизма. Летом 1820 г. Ампера в Париже не было, и он не только не был знаком с небольшим мемуаром Эрстеда, но и ничего не знал о его экспериментах.
Если большинство присутствовавших на заседании академиков, не занимавшихся изучением электрических явлений, особого интереса к открытию Эрстеда не проявили, то Ампер буквально был потрясен этим экспериментом. Одаренный от природы необыкновенными способностями, обладавший энциклопедическими знаниями в области естественных наук и завидным чувством научного предвидения, Ампер интуитивно понял значение этого открытия для будущих успехов в области электромагнетизма. Он немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового, ранее неизвестного явления.
Прежде всего он тщательно повторил опыты Эрстеда и сразу же отметил неточность его выводов, так как Эрстед не учел действия на магнитную стрелку магнитного поля Земли. И уже через неделю (всего через неделю!) Ампер выступает на заседании Академии наук с докладом о своих новых открытиях в области электромагнетизма. А затем почти подряд неделю за неделей (на регулярных заседаниях Академии) излагает перед крупнейшими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.
Араго заметил, что проволока из мягкого железа намагничива. Ампер посоветовал Араго заменить прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом помещенная внутри спирали металлическая игла намагничивалась более интенсивно. Так был создан первый соленоид, магнитные свойства которого были аналогичны постоянному магниту с двумя разноименными полюсами.
Ампер поразительно наглядно продемонстрировал магнитные свойства проволоки, согнутой в кольцо, аналогичные «тонкому листку» постоянного магнита. И кольцо, и «листок» имели разноименные магнитные полюса, что убедительно подтверждало электрическую природу магнетизма.
Соленоид можно представить как совокупность бесконечно малых сомкнутых круговых токов, перпендикулярных к одной и той же линии, проходящих через их центр тяжести и имеющих одинаковое направление. Ампер утверждает, что «какой угодно малый замкнутый ток действует на любой магнитный полюс, так же как будет действовать малый магнит, помещенный на месте тока, имеющий ту же магнитную ось». Ампер неоднократно подчеркивает, что «единственной причиной электромагнитных явлений является электричество».
Поразительно, что никто до Ампера не пришел, казалось, к очевидному выводу: если круговой ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов.
Прежде чем рассмотреть работы Ампера с линейными токами, отметим, что он впервые ввел в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества «от плюса к минусу» во внешней цепи. Он сумел сформулировать и еще одно важное правило – о направлении отклонения магнитной стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило стало известным под названием «правило пловца» и формулировалось следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку вдоль проводника с током так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».
Следует отметить, что Ампер был прежде всего теоретиком и экспериментами занимался редко. Но в данном случае он почувствовал необходимость проверки на опыте правильности своих идей, и сам соорудил несколько оригинальных приборов, лишь иногда прибегая к помощи слесаря.
Для исследования линейных токов Ампер создал так называемый «станок Ампера» (см. рисунок). С помощью этого оригинального устройства он мог наблюдать изменения положения подвижного проводника от другого – неподвижного. Он экспериментально доказал, что два «линейных» тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное.
На основании многочисленных экспериментов Ампер сформулировал закон взаимодействия «линейных» токов: «два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, тогда как два параллельных и противоположно направлные явления Ампер предложил назвать «электрдинамическими» в отличие от известных электростатических явлений. Позднее электродинамика превратилась в один из важнейших разделов физики.
Исследования Ампера заметно отличались от работ некоторых ученых, занимавшихся изучением явлений электромагнетизма, но ограничивавшихся лишь качественными наблюдениями и не пытавшихся выяснить механизм происходящих процессов, а тем более обобщить их.
Ампер же не только дал глубокий анализ наблюдавшихся явлений, но, что очень важно, сумел теоретически обобщить результаты экспериментов и вывести формулу, позволяющую определить силу взаимодействия токов, сделав, как писал один из биографов, «немеркнущий вклад, оставшийся на все времена в сокровищнице науки».
Подобно Кулону, установившему закон взаимодействия электрических зарядов, Ампер, опираясь на принципы Ньютона о взаимодействии масс, уподоблял этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предполагал, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, проходящей через середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов токов и величине самих токов. Он также установил, что сила взаимодействия между токами зависит от углов между элементами токов и линией, соединяющей их середины. Измерение силы взаимодействия токов было чрезвычайно затруднительным, так как никаких измерительных приборов не существовало.
Ампером был придуман и изготовлен ряд приборов, с помощью которых он, обладая обширными математическими знаниями, сумел выполнить достаточно точные измерения силы взаимодействия токов. Позднее великий Максвелл отметил эти измерения как чрезвычайно оригинальные.
Далеко не всем известно, что Ампер был одним из пионеров электрометрии. В наше время огромную роль в исследовании электротехники и электросвязи играет точность измерений. Одним из первых электроизмерительных приборов был гальванометр. Обычно в литературе создание гальванометра связывают с именем немецкого физика профессора Иоганна С.Х. Швейггера, который в сентябре 1820 г. демонстрировал прибор, названный им «мультипликатором». Прибор представлял собой рамку с током, внутри которой на оси помещалась магнитная стрелка, отклонявшаяся при прохождении по рамке тока. Ампер в это время еще только изучал опыты Эрстеда.
Ознакомившись с прибором Швейггера, Ампер сразу же указал на его неточность – в нем не учитывалось действие на магнитную стрелку магнитного поля Земли. Для устранения этого влияния Ампер в 1821 г. предложил «астатическую пару», представляющую собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси параллельно друг другу с полюсами, обращенными в разные стороны. Такую пару использовал в мультипликаторе в 1825 г. флорентийский профессор Л. Нобили. Этот прибор стал прообразом гальванометра, и термин «гальванометр» Ампер впервые употребляет в своих работах.
Среди электроизмерительных приборов, предложенных Ама», предназначенное для изменения направления тока в проводниках. Он также первым стал применять подключение токоведущих элементов приборов с помощью чашечек со ртутью.
Несмотря на что, что Академия наук не выделяла средств на проведение экспериментальных исследований, Ампер, нередко сам нуждающийся в средствах, строил необходимые приборы на свои сбережения. До наших дней сохранился старинный столик, сделанный руками Ампера, на котором он проделал главнейшие опыты в маленькой комнатке своей скромной квартиры на улице Фоссе-де-Сен-Виктор.
В Германском музее шедевров науки и техники хранятся оригинальные приборы Ампера, при помощи которых он производил опыты взаимодействия между полюсами. В иллюстрированном путеводителе по музею сказано, что «приборы Ампера принадлежат к числу драгоценнейших документов музея. Невзрачные, покрытые сургучом составные проволочные контуры, висящие и вращающиеся в чашечках со ртутью, соединенные с переключателем тока, они помещены в шкафу, украшенном богатой резьбой и портретом Ампера».
Выдающимся вкладом Ампера в теорию электричества и магнетизма явилась его поистине революционная теория о причине магнетизма, основывавшаяся на представлениях о молекулярных токах. Ампер решительно отвергает наличие «особой» электрической и магнитной жидкостей и утверждает, что «все магнитные явления... сводятся к чисто электрическим действиям. Магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси». Разработанная Ампером гипотеза круговых молекулярных токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
Новая теория Ампера не сразу получила признание даже таких крупных физиков, как Фарадей и Дэви. После переписки Ампера с Фарадеем и Дэви их взгляды на теорию Ампера изменились. Так, Фарадей писал Амперу: «Прогресс электромагнетизма развивается таким образом, что приходится непрерывно ссылаться на Ваше имя, и в этих случаях я мысленно горжусь нашими отношениями и их основой». Дэви также писал Амперу, что «... его взгляды полны новизны и изобретательности и заслуживают глубокого внимания со стороны философов всех стран». В течение 1824 – 1826 гг.
Ампер работал над своим капитальным трудом «Теория электрических явлений, выведенная исключительно из опыта». Этот труд вышел в свет в 1826 г. и содержал все доклады ученого в течение 1820 – 1825 гг.
Блестящую по форме и содержанию оценку «Теории» Ампера дал Максвелл: «экспериментальный метод, посредством которого Ампер установил законы механического взаимодействия электрических токов, составляет одно из наиболее блестящих достижений науки. Кажется, будто вся эта совокупность теорий и опыта во всей своей мощи в полном своем вооружении выскочила из головы «Ньютона электричества». Форма ее совершенна, строгость безупречна... ».
Читателям жур стоял у истоков электромагнитного телеграфа. В своем выступлении на заседании Академии наук в октябре 1820 г. он впервые предложил использовать отклонения магнитной стрелки под воздействиями электрического тока для передачи на расстоянии букв алфавита. «Помещая каждую букву на отдельной стрелке, можно устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок». Причем лицу, которое наблюдало бы за буквами над стрелками, можно было передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. А на передающей станции около вольтова столба «установить клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш... и этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто...».
Как известно, ранее для целей телеграфирования предлагалось использовать электростатические заряды и электрохимические реакции в сосудах с жидкостью. Но идея электромагнитного телеграфа принадлежит бесспорно Амперу. Правда, Ампер предполагал, что для устройства электромагнитного телеграфа потребуется использовать столько проводов и магнитных стрелок, сколько имеется букв». Однако если бы он занялся устройством такого телеграфа, то при его необычайной изобретательности пришел бы к необходимости сокращения числа передающих проводов и магнитных стрелок, как это сделал в 1832 г. создатель первого практически пригодного стрелочного электромагнитного телеграфа наш соотечественник П.Л. Шиллинг.
К сожалению, Ампер уже был занят исследованиями электродинамических взаимодействий токов и магнитов и, кроме того, в это время его здоровье серьезно ухудшается – нередко он был вынужден временно прекращать свои исследования. Но Ампер создал необходимые предпосылки для конструирования первого практически пригодного электромагнитного телеграфа и тем самым внес свой вклад в практическое применение электромагнетизма. Электромагнитный телеграф вскоре стал международным средством связи – первым массовым применением электричества.
Заслуживает внимания серия экспериментов Ампера, которые, как он писал в 1822 г., «показали возможность получения токов через влияние». Но он внимательно не занялся исследованием этого явления. Только после получения известия об открытии Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции Ампер с сожалением отметил, что «держал в руках» этот физический эффект, «не сознавая этого в полной мере».
В 1824 г., когда Ампера избрали профессором физики одного из крупнейших высших учебных заведений Франции Коллеж де Франс, он решил посвятить свою педагогическую деятельность только преподаванию физики и оставался на этой должности до конца своих дней. Из-за стесненных материальных обстоятельств он продолжал работать инспектором университета «на половинном окладе».