Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
ЭлектромагнетизмКнига Велланского вышла в 1831 г. В ней уже не только упоминались, но и подробно описывались открытие Эрстеда, опыты и теория Ампера. Внимание, проявленное Велланским к новому открытию, не случайно. Его истоки кроются в философских воззрениях как самого Велланского, так и автора открытия. Конец XVIII и начало XIX в. ознаменовались решительным поворотом философской мысли в сторону от мировоззрения французских материалистов и опытного естествознания. Этот поворот возглавили и осуществили представители немецкой классической философии. С этого момента философия и естествознание идут разными путями. «Одна, – говорит Герцен, – прорицала тайны с какой-то недосягаемой высоты, другое смиренно покорялось опыту и не шло далее; друг к другу они питали ненависть; они выросли в взаимном недоверии; много предрассудков укоренилось с той и с другой стороны; столько горьких слов пало, что при всем желании они не могут примириться до сих пор». Герцен писал это в 1844–1845 гг Примерно через четверть века об этом же расхождении между натуралистами (естествоиспытателями) и философами скажет Гельмгольц, выступая с докладом на родине Канта: «...всем известно, Л что натуралисты и философы в настоящее время не могут быть названы добрыми друзьями, по крайней мере в своих научных работах. Всем известно, что между ними уже давно ведется ожесточенный спор...». Гельмгольц отмечает, что принципиальный разлад между философией и естествознанием «еще не имел места во времена Канта», который «стоял на вполне одинаковой почве с натуралистами». Созданная Кантом теория происхождения солнечной системы «дает нам право причислить философа Канта к естествоиспытателям». Гельмгольц считает, что и фихте «не находился... ни в каком принципиальном противоречии с натуралистами». Он указывает, что «спор возгорелся, когда после смерти фихте Шеллинг стал господствовать над наукой в южной, а Гегель в северной Германии». «Среди образованных людей Германии того времени, – говорит Гельмгольц, –интерес к философским наукам превосходил интерес к естественным наукам, вследствие чего последние казались побежденными».  Этот интерес передался и в соседние страны. Велланский и Павлов в России, Эрстед в Дании находились под сильным влиянием философии Шеллинга. Учение о целостности мира, о его развитии, о борьбе полярных сил, о всеобщей связи явлений чрезвычайно импонировало этим естествоиспытателям. Велланский считает теоретические основы физики неудовлетворительными. «Все содержание оной (т. е. физики) заключается в исчислении и измерении наружных форм физических предметов; касательно же внутренней сущности какой-либо вещи физики признают абсолютную невозможность к достижению оной». Открытие электромагнетизма шеллингианцы рассматривали как успех своей системы. «До открытия гальванизма не было известно взаимное соотношение между химическими, электрическими и магнитными явлениями, которые физики считали раздельными и одна от другой независимыми». Это совершенно правильное утверждение Велланского вскрывает то положительное начало, которое было введено немецкой классической философией: учение о всеобщей связи, диалектика природы. Велланский правильно подчеркивает, что физика могла рассматривать химические, магнитные и электрические явления изолированно лишь до открытия гальванизма. Открытие гальванизма независимо от какой-либо философии должно было рано или поздно привести к открытию электромагнетизма, и не случайно приоритет Эрстеда оспаривался. Еще в 1876 г. Эндрюс (1813–1885) в своей президентской речи на собрании Британской Ассоциации содействия прогрессу наук в Глазго должен был вернуться к вопросу о приоритете Эрстеда. Этот вопрос решен в пользу Эрстеда, и современный историк науки полностью согласен со словами Велланского: «Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил 1820 года».  Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессором Копенгагенского университета. Увлекшись философией Шеллинга, он много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. Плодом этих размышлений явился изданный в 1813 г. в Париже трактат «Исследования о тождестве электрических и химических сил». В 1820 г. он сделал свое знаменитое открытие, описанное им в брошюре «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Брошюра была издана на латинском языке в Копенгагене и датирована 21 июля 1820 г. Это открытие обессмертило имя ее автора в истории физики. Умер Эрстед 9 марта 1851 г. Увлечение философией Шеллинга сказалось уже в самом названии брошюры Эрстеда. Он называет процесс, происходящий в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, не током, а «конфликтом». Результатом этого «конфликта» является разогревание проводника, причем Эрстед считал, что нагревание проволоки необходимо для получения эффекта. Опыты над действием тока на магнитную стрелку привели Эрстеда к важному выводу, что «электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Отбрасывая философскую терминологию, можно констатировать, что Эрстед обнаружил вокруг проволоки с током магнитное поле, действующее на ток. Далее он пишет: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, магнитные силовые линии окружают проводник с током, или электрический ток является вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом суть открытия Эрстеда. Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда, продемонстрирует «вихрь электрического конфликта», насыпав на картон, через центр которого проходит проволока с током, железные опилки. Но обнаружить магнитные действия тока было нелегко. Их пытался обнаружить Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед. Это открытие, как справедливо отмечал Велланский, привлекло внимание физиков Европы. «Ученый датский физик, профессор, – писал Ампер,–своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом». Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс, как об этом писал Велланский. Вскоре, после того как де ла Рив в Женеве повторил опыты Эрстеда, хлынул поток опытов и сообщений. В сентябре 1820 г. Араго показал, что проволока с током притягивает железные опилки. В том же сентябре Швей-гер применил эффект Эрстеда в качестве указателя тока (мультипликатор). В 1821 г. Поггендорф (1796-1877) придал ему удобную форму, и в этом виде его и поныне можно видеть в школьных физических кабинетах. Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био– Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон Био – Савара фигурирует в учебниках физики. Ампер. Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики «электродинамикой», и это название прочно вошло  в язык физики.Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Под руководством отца Ампер получил хорошее и разностороннее образование. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. Ампер изучил все тома знаменитой «Энциклопедии» Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа. Амперу было восемнадцать лет, когда семью постигло большое горе. В 1793 г. Конвент посылает в Лион, осмелившийся бросить вызов Конвенту, карательную экспедицию, которой предписывает «немедленно наказать лионскую контрреволюцию силою оружия». Конвент приказывает уничтожить Лион и на его развалинах возвести колонну с надписью: «Лион боролся против свободы – Лиона больше нет». В числе жертв этой экспедиции оказался и отец Ампера Жан Жак. Он был арестован 9 октября и 24 ноября 1793 г. казнен. Для семьи наступили трудные времена. Ампер избирает педагогическое поприще. Сначала он работает домашним учителем, а в 1802 г. становится преподавателем физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1803 г. Ампера назначают преподавателем математики в Лионский лицей. В следующем, 1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г.– ее профессором. В 1814 г. его избирают членом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно занимается электродинамикой, и в 1826 г. выходит его основной труд по электродинамике «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Позже Ампер занимается многими научными проблемами, в том числе и проблемой классификации наук. В результате этих исследований появилось его сочинение «Опыт философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний», первый том которого вышел в 1834 г., второй, незаконченный том вышел посмертно в 1843 г. Жизнь Ампера была тяжелой. Его преследовали несчастья: гибель отца, потеря первой жены, неудачный второй брак, смерть матери, которую он горячо любил, и многое другое. События «ста дней» и второй реставрации также отразились на нем. Ко всему этому прибавилось слабое здоровье. В одну из служебных поездок он скончался в Марселе 10 июня 1836 г. Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики. Начиная с первого сообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г., последовавшего через неделю после сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут один за другим сообщения Ампера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 6, 13 ноября; 4, 11 и 26 декабря 1820 г. В 15-м томе «Анналов химии и физики» был опубликован «Труд, представленный Королевской Академии наук 2 октября 1820 г. и содержащий резюме докладов, прочитанных в академии 18 и 25 сентября 1820 г. относительно действий электрических токов». Этот труд подытоживал напряженную работу Ампера по исследованию нового явления, выполненную в течение короткого двухнедельного промежутка времени. Ампер различает два основных электрических понятия: электрическое напряжение и электрический ток. Под электрическим током Ампер понимает «состояние электричества в цепи проводящих и электродвижущих тел»; под его направлением – направление положительного электричества. Внутри вольтова столба это будет «направление от конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к концу, на котором выделяется кислород». «...Направление электрического тока в проводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца, где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород». Следовательно, Ампер вводит впервые такие фундаментальные понятия, как «электрический ток», «электрическая цепь», устанавливает направление тока в замкнутой цепи. Наименование единицы тока ампер, принятое в физике, вполне оправдано заслугами Ампера. Он же вводит термин «гальванометр» для прибора, действие которого основано на отклонении магнитной стрелки, и указывает, что «им следует пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принято пользоваться электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждый момент, существует ли ток и какова его энергия». Ампер впервые установил наличие механических взаимодействий токов, которые могут быть в зависимости от направления как притягательными, так и отталкивательными. Он подчеркивает, что «эти притяжения и отталкивания... существенно отличаются от тех, которые вызываются электричеством в состоянии покоя». Исследуя экспериментально электродинамические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно «устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок». Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытия электромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский дипломат П. Л. Шиллинг (1786–1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце. В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, в частности система русского физика Б. С. Якоби (1801–1874). Однако широкое распространение электромагнитный телеграф получил после того, как американский изобретатель Самуил Морзе (1791–1872) создал удобную конструкцию аппарата, разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрел специальную азбуку с двумя знаками (точка – тире). Первый аппарат Морзе был построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон – Балтимор. Возвращаемся к исследованиям Ампера. Очень скоро он пришел к мысли об эквивалентности магнитного листка круговому току и разработал представление о магните «как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита». Отсюда он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов («магнитных жидкостей») в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодей ствиям. Амперова молекулярная тео рия магнетизма получила физическугс опору в электронной физике уже в XX в. Обобщающим трудом Ампера была «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданная в 1826 г. с подзаголовком «Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.». Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законов электродинамики. Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике. Однако сам Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений. |