Неопределенный электрический объект. Ампер. Классическая электродинамика. - [25]
Жан-Батист Био родился в Париже в 1774 году и умер там же в 1862-м. В 1800 году он стал профессором физики в Коллеж де Франс, а в 1803 — членом Академии наук. Этот современник и коллега Ампера придерживался своих собственных идей. Несмотря на свое несогласие с электрической природой магнитных явлений, Био вошел в историю науки вместе с французским физиком Феликсом Саваром (1791-1841) как автор закона Био — Савара, описывающего магнитное поле, порождаемое постоянным электрическим током.
Изучение электромагнетизма было лишь одним из научных интересов Био, также он занимался поляризованным светом и был одним из первых ученых, изучавших метеориты. Эта область привлекла его после того, как в апреле 1803 года в городе Легль Нижней Нормандии упали 3000 фрагментов метеорита. Жители города видели вспышку света и распад небесного тела на множество фрагментов. Био был уполномочен изучить странное явление и в результате работы пришел к следующему заключению: камни имели внеземное происхождение. В то время подобные утверждения встречались с некоторым скептицизмом, однако работы Био проложили дорогу научному изучению метеоритов. Остатки метеорита, обнаруженные в Легле, были хондритами и позволили ученым понять происхождение Солнечной системы. Число Био, обозначаемое Bi, было придумано в честь ученого и выражает теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой.
Памятная открытка с изображением полета Био и Гей-Люссака на аэростате в 1804 году, предпринятого в целях изучения земной атмосферы.
Для этого плоскость круга с делениями располагается перпендикулярно к магнитному меридиану места, и земной магнетизм не может воздействовать на стрелку.
Благодаря астатической стрелке Ампер смог изобрести новый прибор, который назвал гальванометром:
«Не хватало инструмента, который позволял бы определить наличие тока в стержне или проводнике, а также его энергию и направление. Теперь этот инструмент существует; [...] это прибор, похожий на компас, отличающийся от него использованием [...]. Полагаю, ему нужно дать название гальванометра».
РИС.З
Астатическая стрелка Ампера в «Представлении новых открытий в электричестве и магнетизме» (1822).
В XIX веке изучение электромагнетизма было новой областью науки. В терминологии царила большая путаница, большинство определений нуждались в уточнении. Даже Ампер говорил об энергии тока, всегда имея в виду его силу. Угол отклонения стрелки мог показывать силу электрического тока, но нужно было определить его направление. Ученый произвольно выбрал направление движения положительных зарядов для определения критерия направления тока, а также выработал правило определения отклонения стрелки: «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». Это же правило он использовал и для Земли.
РИС. 4
В рукописях Ампера есть рисунок, иллюстрирующий «правило Ампера» (см. рисунок 4). На нем изображено, как действуют электрические токи на наблюдателя, если представить его внутри земного шара. Круг представляет собой земной шар, его магнитные полюса N (Северный) и S (Южный) связаны земным меридианом. Наблюдателя (от ног до головы) пересекает электрический ток (представленный частично), циркулирующий вдоль экватора. Нужно представить наблюдателя лежащим и смотрящим на находящийся над ним компас. Его левая рука указывает направление, в которое отклонится северный полюс компаса под действием тока, то есть N (Северный) полюс Земли.
Гипотеза молекулярных токов Ампера имеет ощутимые отголоски в сегодняшней физике. В 1820 году электроны (элементарные отрицательно заряженные частицы) были неизвестны, еще меньше знали о квантовой физике. Сегодня свойства магнетизма касаются двух аспектов.
1. Орбитальное движение электронов вокруг ядра.
2. Квантовое свойство, называемое спином.
Честь открытия электрона принадлежит британскому ученому Джозефу Джону Томсону (1856-1940). Оно состоялось во время проведения им в 1896 году опыта с катодными лучами. Таким образом, понадобилось почти 80 лет для открытия частиц, связанных с амперовскими токами, хотя электродинамика уже прочно утвердилась в науке. Кроме того, немецкий физик Ральф Крониг (1904-1995) ввел в 1925 году понятие спина, и это стало следующим шагом в понимании постоянных магнитов. Новые знания, полученные в течение двух веков после появления гипотезы Ампера, позволили классифицировать виды магнитных материалов, выделив диамагнитные и ферромагнитные. Более глубокое исследование этой классификации выходит за рамки данной книги.
Ампер придумал название «гальванометр» в честь итальянского ученого Гальвани. Гальванометр — это инструмент для определения и измерения электрического тока. С этой точки зрения прибор, сконструированный Ампером, не был гальванометром в строгом смысле слова, потому что он не измерял абсолютное значение электрического тока. Мы могли бы назвать «гальваноскопом» астатическую стрелку Ампера — устройство, определяющее лишь наличие электрического тока. Гальванометр называется амперметром, если он параллельно подключен к сопротивлению для очень точного измерения силы тока. По общему правилу, амперметр должен быть последовательно включен в электрическую цепь, хотя эту проблему можно решить с помощью токоизмерительных клещей. Их действие напоминает об исследованиях электромагнетизма, проводившихся во времена Ампера.
