Читать книгу "Неопределенный электрический объект. Ампер. Классическая электродинамика. - Эугенио Мануэль Фернандес Агиляр"

Дважды Ампер чуть было не дошел до его открытия. По иронии судьбы нехватка математических знаний Фарадея (недостаток, в котором он сам признавался Амперу) оказалась его преимуществом: в то время как Ампер отвлекался на расчеты, подтверждающие математический закон, Фарадей ставил блестящие опыты. Ампер не говорил об индукции до тех пор, пока о ней не заговорил Фарадей после своего открытия в 1831 году. Фарадей говорил об электрических токах, побужденных или произведенных под влиянием других токов. В 1820 году французский физик Огюстен Жан Френель (1788-1827), а в 1825 году швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802-1893), работавшие с магнитами и соленоидами, также очень близко подошли к этому открытию. Экспериментальный подход Ампера был иным: он задавался вопросом о том, может ли электрический ток производить другой электрический ток.

Исследования индукции были осуществлены Ампером в июле 1821 года и сентябре 1822 года с помощью прибора, изображенного на рисунке. Ученый подвесил кольцо из меди (вторичную электрическую цепь) внутри круговой катушки, также из меди (первичная электрическая цепь).

Круговая катушка была не чем иным, как медной обмоткой круглой формы. Катушка DEB была стационарной, а кольцо Я/G, напротив, могло двигаться. В положении р и q Ампер установил два магнита. Он пропустил электрический ток через первичную цепь, но не смог определить, как этот ток воздействовал на вторичную цепь. Для наблюдения этого нужно было, чтобы магниты заставили немного двигаться кольцо HIG.

В июле 1821 года Ампер написал письмо нидерландскому физику Альберту ван Беку (1787-1856), в котором частично описывал свой опыт. Его результаты были опубликованы в «Журнале по физике, химии, естественной истории и искусствам». Ампер утверждал, что электрические токи не производят других токов в проводниках. Он не оставил сведений о результатах, которые зафиксировал во время опыта, и даже не указал, была ли катушка именно катушкой или листом меди, согнутым в виде цилиндра. Как бы там ни было, ученый вскоре отказался от этого исследования и упустил возможность стать автором открытия электромагнитной индукции.

В сентябре 1821 года Фарадей заявил в Королевском Обществе о том, что он обнаружил постоянное вращение магнита под воздействием проводника с током и наоборот. Это событие подтолкнуло новые исследования Ампера, который начал поистине бесценную переписку с Фарадеем. Напомним, что через год, в 1822 году, Ампер посетил Огюста де ла Рива в Женеве. Там он провел три опыта, один из которых касался индукции, но на этот раз осуществил его с магнитом в форме подковы, гораздо более тяжелым, нежели прежние использовавшиеся магниты. Магнит был предназначен для выявления индуцированного тока во вторичной цепи (кольце) под влиянием тока первичной цепи. В этот раз Ампер и де ла Рив установили, что кольцо наклоняется, когда ток проходит по вторичной цепи, и возвращается в исходное положение, когда ток прекращается. Ампер не смог установить того факта, что это явление наблюдалось только при переменном токе, но не при постоянном. С самого начала своих исследований ученый интересовался предсуществованием тока в микроскопическом мире. Он справедливо задавался вопросом о том, не является ли обнаруженный им ток простым перенаправлением токов молекулярного мира или речь идет действительно об индуцированном токе, которого раньше не существовало. Он писал:

«Факт возникновения электрического тока под влиянием — очень интересен сам по себе, впрочем, он не связан с общей теорией электродинамического действия».

ТЕЛЕГРАФ И ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Ампер был блестящим ученым с выдающимися талантами в области теории. Однако его таланты в области практики были не столь значительными. Тем не менее ему ошибочно приписывается авторство множества изобретений, среди которых телеграф и электромагнит.

Вопреки этим утверждениям Ампер не был изобретателем телеграфа. Термин «телеграф» (означающий «писать на расстоянии») в то время уже существовал: первая линия оптического телеграфа была открыта благодаря братьям Шапп в 1794 году, между Парижем и Лиллем. Однако открытия Ампера сыграли главную роль в развитии электрического телеграфа. Его предложение было основано на результатах опыта Эрстеда: магнитная стрелка компаса могла отклоняться под воздействием удаленного провода. Позже предложение Ампера было несколько видоизменено, а когда появились лучшие идеи — и вовсе позабыто. В частности, открытие электромагнитной индукции и изобретение азбуки Морзе произвели революцию в использовании телеграфа и привели к его повсеместному распространению. Жан-Жак Ампер, сын Андре-Мари Ампера, опубликовал труд своего отца под названием «Доклад об электрическом телеграфе» в 1849 году, после смерти ученого, хотя эта работа к тому времени уже устарела.

ЗАКОН ФАРАДЕЯ — ЛЕНЦА

Согласно закону Фарадея электродвижущая сила индукции (е) для замкнутого контура пропорциональна скорости изменения магнитного потока (Ф), проходящего через этот контур.

ε= dΦ/dt.

Знак минус относится к закону Ленца, согласно которому индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток, и это является следствием принципа сохранения энергии. Магнитный поток помогает измерить интенсивность магнитного поля, проходящего через плоскость. Опыт 1831 года, который позволил Фарадею обнаружить электромагнитную индукцию (см. рисунок рядом), состоял в том, что он менял мощность тока, пропускаемого через электромагнит первичной цепи в форме соленоида (слева). Соленоид был соединен с изолятором или другим соленоидом (вторичная цепь, справа), таким образом, что две цепи были разделены. Когда к первичной цепи подключалась батарея, наблюдался кратковременный всплеск тока. 3 этот короткий интервал соленоид производил изменяемое во времени магнитное поле, соответственно, ток во вторичной цепи также изменялся. Это колебание магнитного потока внутри вторичной цепи производило индукционный ток, фиксируемый гальванометром. Таким образом, ток возникал при соединении или разрыве цепи из-за повышения или понижения напряжения, и это вело к изменениям магнитного потока во вторичной цепи.

Схема опыта Фарадея 1831 года.

Электромагнит, то есть магнит, свойства которого появляются под воздействием электрического тока, также не является изобретением Ампера. Араго и Ампер вместе разрабатывали эту концепцию и проводили различные опыты, многократно получая изолированные проводники, которые действовали как электромагниты, создавая магнитное поле. Однако они не изучали само устройство, поскольку целью их опытов было подтверждение математического закона Ампера. Из-за этого тесного сотрудничества изобретение электромагнита иногда несправедливо приписывается Амперу. На самом деле его изобретатель — британец Уильям Стёрджен (1783-1850), который сконструировал и использовал по назначению первый в истории электромагнит. Он представлял собой согнутый в форме подковы железный стержень, покрытый лаком, обмотанный примерно 18 витками медной проволоки. Стёрджен доказал, что этот 200-граммовый электромагнит может поднимать до четырех килограммов. Но главный вклад в популяризацию электромагнита внес американец Джозеф Генри (1797-1878): ему удалось поднять больше 900 килограммов электромагнитом, обмотанным сотнями витков медной проволоки. Промышленное использование электромагнита поначалу было связано исключительно с телеграфией.