Удивительные открытия
Шрифт:
«Я известил о новом факте притяжения и отталкивания двух электрических токов без участия какого-либо магнита, а также о факте, который я наблюдал со спиралеобразными проводниками. Я повторил опыты во время этого заседания».
Спиралеобразные проводники, которые взаимодействовали друг с другом, словно магниты, Ампер потом назвал соленоидами (от греч. solen — «трубка» и eidos – «вид»).
Вывод Ампера стал его выдающимся вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов.
В «Истории физики» Марио Льоцци читаем:
«Он подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, то есть должна принимать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли. Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один-единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведет себя точно как магнитный листок.
Таким образом, обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведет себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чем тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведет себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма. Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая – перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону. Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль оси концы проводника. Но все же существовало различие между спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита – во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси».
Так на свет появились правило для определения направления, в котором отклоняется стрелка вблизи проводника с током (правило Ампера), и закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера).
Новые идеи Ампера были приняты далеко не всеми его коллегами. После первого доклада о взаимодействии проводников с током один из его противников спросил:
«А что, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? Ведь это само собой разумеется, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга».
Ампер даже не сразу нашел, что ответить, но тут ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и показал их окружающим.
«Каждый из них, – сказал он, – тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
В дальнейшем Ампер продолжил свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы, и он нашел закон, который теперь носит его имя.
Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука – электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению британского физика Джеймса Максвелла (1831–1879), по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.
Чуть позже Ампер разработал теорию магнетизма, согласно которой все магнитные взаимодействия сводятся к взаимодействию скрытых в телах так называемых круговых электрических молекулярных токов. Таким образом, Ампер впервые указал на тесную «генетическую» связь между электрическими и магнитными процессами и последовательно проводил чисто токовую идею происхождения магнетизма.
В 1822 году он открыл магнитный эффект катушки с током (соленоида), сделал вывод, что соленоид, обтекаемый током, является эквивалентом постоянного магнита, и выдвинул идею усиления магнитного поля путем помещения внутрь соленоида железного сердечника из мягкого железа.
Андре-Мари Ампер
Кстати сказать, именно Ампер, слывший большим мастером изобретать новые научные термины, первым не только придумал термины «соленоид», «электростатика» и «электродинамика», но и ввел в лексикон ученых название «кибернетика» для еще не существовавшей тогда науки (от греческого слова, переводящегося как «искусство управления»). В 1830 году Ампер писал:
«Правительство (…) постоянно должно выбирать между различными мерами, наиболее пригодными для достижения цели; и лишь благодаря глубокому изучению и сравнению разных элементов, предоставляемых ему для этого выбора знанием всего, что имеет отношение к нации, оно способно управлять в соответствии со своим характером, обычаями, средствами существования, процветания, организацией и законами, которые могут служить общими правилами поведения, и которыми оно руководствуется в каждом особом случае. Итак, только после всех наук, занимающихся этими различными объектами, надо поставить эту, о которой сейчас идет речь и которую я называю кибернетикой, от греческого слова κυβερνητιχη; это слово, принятое вначале в узком смысле для обозначения искусства кораблевождения, получило употребление у самих греков в несравненно более широком значении искусства управления вообще».
Как известно, это предвидение Ампера полностью оправдалось. Кибернетика (в современном понимании, это наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе) возникла в 40-е годы XX века.
Слава Ампера быстро росла. Его часто посещали знаменитые физики, он получал приглашения из других стран для чтения докладов о своих разработках.
В 1824 году он был избран на должность профессора Коллеж де Франс по кафедре общей и экспериментальной физики.
В те же 20-е годы Ампер предложил использовать электромагнитные явления для передачи сигналов и, таким образом, изобрел первый электромагнитный телеграф. Кроме того, он участвовал в улучшении конструкции гальванометра (чувствительного прибора, предназначенного для измерения напряжения или силы тока весьма малой величины).
А еще Ампер опубликовал ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике. В частности, в 1826 году вышел его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», который внес огромный вклад в науку об электричестве. Одним этим трудом он полностью оправдал свое прозвище – «Ньютон электричества».
Отметим, что работа над этой книгой проходила в чрезвычайно трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время, Ампер сообщал:
«Я принужден бодрствовать глубокой ночью. Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считаными минутами».