Неопределенный электрический объект. Ампер. Классическая электродинамика. - [28]

Шрифт
Интервал

Андре-Мари Ампер (слева) и Франсуа Араго повторили 11 сентября 1820 года опыт датского физика Ханса Кристиана Эрстеда. Араго держит два проводника около стрелки компаса и наблюдает появившееся отклонение. Ампер заключает, что в основе магнетизма лежит электричество.


А и В находятся два бесконечно малых элемента тока, которые образуют угол α и β с линией, связывающей эти точки. Если мы расположим элементы тока в плоскостях P и Q, угол между двумя плоскостями будет γ (см. рисунок).

Ток из точки А проходит через плоскость Р, тогда как ток из точки В проходит через плоскость Q.


Отсюда Ампер, как и Био, вывел закон квадрата, обратного расстоянию, который гласит, что взаимодействие dF между двумя элементами тока, расположенными так, как изображено на рисунке, равно

dF = (g • h • (sinα • sinp • sinβ + k • cosα • cosβ))/r²

где g и h зависят «от количества электричества, прошедшего за равные промежутки времени» (мы видим перед собой определение силы тока). Следующим шагом стал расчет постоянной k и точное определение g и А, но Ампер не смог установить, о каких переменных идет речь. Сопутствующий постоянной k фактор предполагает в выражении Ампера взаимодействие между токами, протекающими параллельно. Поначалу он считал, что должно быть k = 0. Ученый полагал, что элементы тока, находящиеся на одной линии, никак не взаимодействуют между собой. Определив эти параметры, можно было рассчитать общую силу, равную сумме всех сил dF — дифференциальных элементов силы, — которую производит элемент тока. Заметим, что в этом выражении содержится анахронизм, поскольку Ампер не использовал выражение dF, хотя его уравнение, несомненно, отсылало к дифференциалу. Он представил эту формулу в Академии наук 4 декабря 1820 года, через три месяца после заявления Араго.


Порядок, в котором мы открываем различные факты, не имеет ничего общего с их существованием в природе.

Андре-Мари Ампер


Предположение Ампера было встречено прохладно. С одной стороны, спешка, с которой он представлял свои сообщения, вызывала подозрения; с другой стороны, ученым трудно было повторить его опыты, а некоторые его коллеги полагали лишним использование бесконечно малых элементов тока.

Но особый скепсис вызвала гипотеза Ампера о существовании электрических токов в магнитах. Из-за проблем со здоровьем в январе 1821 года исследователь вынужден был надолго прервать свою работу. Фарадей оценил опыты Ампера и оригинальность его теории, однако и он высказывал сомнения по поводу существования токов, которые не были обнаружены опытным путем. Именно открытие Фарадея, состоявшееся осенью 1821 года, дало новый импульс исследованиям Ампера.

Британский ученый открыл вращение магнита вокруг проводника с током и наоборот. Помня о своих идеях, в которых обосновывалось электрическое происхождение магнетизма, Ампер заменил магнит на соленоид и воспроизвел опыт Фарадея, используя только электричество. Ученый полагал, что новые открытия сокрушат идеи Био.


НУЛЕВОЙ МЕТОД И ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА

Начиная с 1822 года Ампер начал разработку новой экспериментальной методологии, которая привела его к окончательной

формулировке математического закона. Ученый предложил то, что впоследствии было названо нулевым методом, — использование для измерений прибора с центром в равновесии. Ампер хотел сконструировать устройство, в котором два контура, по которым проходит один и тот же ток, воздействовали бы одновременно на подвижный проводник таким образом, чтобы производимое ими воздействие взаимно компенсировалось, обнулялось (см. рисунок 7). Речь вновь шла об астатичной системе, в которой Ампер устранил бы воздействие земного магнетизма. Также ученый ввел в свои измерения недавно открытый метод колебания Фарадея. С марта по июнь 1822 года Ампер занимался сложными математическими расчетами и в итоге пришел к двум выводам:

— сила, действующая на элемент тока, направлена перпендикулярно этому элементу;

— коэффициент k имеет не нулевое значение, k = ½.

РИС. 7

Легендарный прибор Ампера, который позволил ученому рассчитать значение к. «Опыты, относящиеся к двум новым явлениям электродинамики». «Анналы химии и физики», 1822 год.


В сентябре 1822 года Ампер отправился в Женеву, где собирался провести совместные опыты с франко-швейцарским физиком Огюстом де ла Ривом (1801-1873), сыном уже упоминавшегося Шарля Гаспара. В результате он поставил один из самых знаменитых своих опытов. Как мы уже говорили, если k отличается от нуля, то это значит, что в математическом выражении должен быть фактор, выражающий взаимодействие между параллельными (или колинеарными) элементами тока. Это открытие стало сюрпризом для самого Ампера. Эффект еще сильнее проявился во время опыта с использованием оригинальной установки, который получил название опыта с подвижным проводником (см. рисунок 8). Проводник srqpnm состоит из двух параллельных секций srq и tmp, концы которых соединены третьим проводником, pq. Параллельные секции плавают в емкости со ртутью, которая разделена на две части с помощью изолятора AC. Проводник полностью закрыт изолятором из шелка, кроме концов s и m. Ток посылается из борна Е, проходит через s в ртути и направляется к голому борну r, проходит через весь проводник и достигает второго голого борна n, снова проходит через ртуть, проходит через m и снова возвращается к источнику электрического напряжения. Ампер и де ла Рив заметили, что каким бы ни было направление тока, как только цепь подключалась к батарее, вилка начинала питаться от ртути и отталкивалась от борнов. Ампер сразу же связал это явление с отталкиванием между парами элементов тока, один из которых находится в ртути, а другой — в одной из параллельных секций. За три месяца до этого эксперимента он предсказал существование коллинеарных сил, что имело невероятные последствия для теории электродинамики. Также Ампер установил центральную позицию сил, что вызвало особое восхищение во французском научном сообществе как следствие третьего закона Ньютона. Гипотеза электродинамического происхождения этих сил получила новое подтверждение.


Еще от автора Эугенио Мануэль Фернандес Агиляр
Эврика! Радость открытия. Архимед. Закон Архимеда

Архимед из Сиракуз жил в эпоху войн, поэтому не удивительно, что часть своего дарования он направил на создание машин, призванных защитить его родной город. Ученый внес серьезный вклад в эту сферу деятельности, впрочем, как и во все другие, входящие в круг его интересов: математику, физику, инженерное дело, астрономию... Он вычислил площадь сегмента параболы с помощью метода, который можно считать предвестником интегрального исчисления. Он открыл физические законы работы рычага и даже осмелился сосчитать количество песчинок, которыми можно заполнить Вселенную, — такое огромное число, что Архимеду пришлось изобретать собственный способ его записи! Но более всего древнегреческого ученого прославило открытие закона гидростатики, носящего теперь его имя.


Рекомендуем почитать
Строки, имена, судьбы...

Автор книги — бывший оперный певец, обладатель одного из крупнейших в стране собраний исторических редкостей и книг журналист Николай Гринкевич — знакомит читателей с уникальными книжными находками, с письмами Л. Андреева и К. Чуковского, с поэтическим творчеством Федора Ивановича Шаляпина, неизвестными страницами жизни А. Куприна и М. Булгакова, казахского народного певца, покорившего своим искусством Париж, — Амре Кашаубаева, болгарского певца Петра Райчева, с автографами Чайковского, Дунаевского, Бальмонта и других. Книга рассчитана на широкий круг читателей. Издание второе.


Октябрьские дни в Сокольническом районе

В книге собраны воспоминания революционеров, принимавших участие в московском восстании 1917 года.


Тоска небывалой весны

В книге рассказывается история главного героя, который сталкивается с различными проблемами и препятствиями на протяжении всего своего путешествия. По пути он встречает множество второстепенных персонажей, которые играют важные роли в истории. Благодаря опыту главного героя книга исследует такие темы, как любовь, потеря, надежда и стойкость. По мере того, как главный герой преодолевает свои трудности, он усваивает ценные уроки жизни и растет как личность.


Прометей, том 10

Прометей. (Историко-биографический альманах серии «Жизнь замечательных людей») Том десятый Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая гвардия» Москва 1974 Очередной выпуск историко-биографического альманаха «Прометей» посвящён Александру Сергеевичу Пушкину. В книгу вошли очерки, рассказывающие о жизненном пути великого поэта, об истории возникновения некоторых его стихотворений. Среди авторов альманаха выступают известные советские пушкинисты. Научный редактор и составитель Т. Г. Цявловская Редакционная коллегия: М.


Еретичка, ставшая святой. Две жизни Жанны д’Арк

Монография посвящена одной из ключевых фигур во французской национальной истории, а также в истории западноевропейского Средневековья в целом — Жанне д’Арк. Впервые в мировой историографии речь идет об изучении становления мифа о святой Орлеанской Деве на протяжении почти пяти веков: с момента ее появления на исторической сцене в 1429 г. вплоть до рубежа XIX–XX вв. Исследование процесса превращения Жанны д’Арк в национальную святую, сочетавшего в себе ее «реальную» и мифологизированную истории, призвано раскрыть как особенности политической культуры Западной Европы конца Средневековья и Нового времени, так и становление понятия святости в XV–XIX вв. Работа основана на большом корпусе источников: материалах судебных процессов, трактатах теологов и юристов, хрониках XV в.


Фернандель. Мастера зарубежного киноискусства

Для фронтисписа использован дружеский шарж художника В. Корячкина. Автор выражает благодарность И. Н. Янушевской, без помощи которой не было бы этой книги.


На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Эрвин Шрёдингер сформулировал знаменитый мысленный эксперимент, чтобы продемонстрировать абсурдность физической интерпретации квантовой теории, за которую выступали такие его современники, как Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Кот Шрёдингера, находящийся между жизнью и смертью, ждет наблюдателя, который решит его судьбу. Этот яркий образ сразу стал символом квантовой механики, которая противоречит интуиции точно так же, как не поддается осмыслению и ситуация с котом, одновременно живым и мертвым. Шрёдингер проиграл эту битву, но его имя навсегда внесено золотыми буквами в историю науки благодаря волновому уравнению — главному инструменту для описания физического мира в атомном масштабе.Прим.


Самый сокровенный секрет материи. Мария Кюри. Радиоактивность и элементы

Мария Кюри — первая женщина в мире, получившая Нобелевскую премию. Вместе с мужем, Пьером Кюри, она открыла радиоактивность, что стало началом ее блистательной научной карьеры, кульминацией которой было появление в периодической системе Менделеева двух новых элементов — радия и полония. Мария была неутомимой труженицей, и преждевременная смерть Пьера не смогла погасить в ней страсть к науке. Несмотря на то что исследования серьезно вредили здоровью женщины, она не прерывала работу в лаборатории, а когда разразилась Первая мировая война, смогла поставить свои достижения на службу больным и раненым.


Тайна за тремя стенами. Пифагор. Теорема Пифагора

Пифагор Самосский — одна из самых удивительных фигур в истории идей. Его картина гармоничного и управляемого числами мира — сплав научного и мистического мировоззрения — оказала глубочайшее влияние на всю западную культуру. Пифагор был вождем политической и религиозной секты (первой группы такого рода, о которой нам известно), имевшей огромный вес в разных регионах Греции. Ему приписывается одно из важнейших открытий древности: равенство суммы квадратов катетов и квадрата гипотенузы в прямоугольном треугольнике.


Наука высокого напряжения. Фарадей. Электромагнитная индукция

Майкл Фарадей родился в XVIII веке в бедной английской семье, и ничто не предвещало того, что именно он воплотит в жизнь мечту об освещенном и движимом электроэнергией мире. Этот человек был, вероятно, величайшим из когда-либо живших гениев экспериментальной физики и химии. Его любопытство и упорство позволили раскрыть множество тайн электричества и магнетизма, а также глубинную связь этих двух явлений. Фарадей изобрел электродвигатель и динамо-машину — два устройства, революционно изменившие промышленность, а также сделал другие фундаментальные открытия.