А.М.Ампер – основоположник электродинамики

СОДЕРЖАНИЕ

Начало научной деятельности учёного

Андре-Мари Ампер родился 20 января 1775 года в Лионе в семье образованного коммерсанта. Отец его вскоре переселился с семьёй в имение Полемье, расположенное в окрестностях Лиона, и лично руководил воспитанием сына. Уже к 14 годам Ампер  прочитал все 20 томов знаменитой “Энциклопедии” Дидро и д’Аламбера. Проявляя с детства большую склонность к математическим наукам, Ампер к 18 годам  в совершенстве изучил основные труды Эйлера, Бернулли и Лагранжа. К тому времени он хорошо владел латынью, греческим и итальянским языками. Иными словами, Ампер получил глубокое и энциклопедическое образование.

В 1793 году в Лионе вспыхнул контрреволюционный мятеж. Отец Ампера – жирондист, исполнявший  обязанности судьи при мятежниках, после подавления мятежа был казнён как сообщник аристократов. Имущество  его было конфисковано. Юный Ампер  начал свою трудовую деятельность с  частных уроков. В 1801 году он занял  должность преподавателя физики и химии центральной школы  в городе Бурге. Здесь он написал первый научный труд, посвящённый теории вероятности “Опыт математической теории игры”. Эта работа привлекла внимание д’Аламбера  и Лапласа. И Ампер стал преподавать математику и астрономию в Лионском лицее. В 1805 году Ампер был назначен репетитором по математике в знаменитой Политехнической школе в Париже и с 1809 года заведовал кафедрой высшей математики и механики. В этот период Ампер публикует ряд математических трудов по теории рядов. В 1813 году его избирают членом Института (т.е. Парижской Академии наук) на место скончавшегося Лагранжа. Вскоре после избрания Ампер доложил в Академию своё исследование о преломлении света. К этому же времени относятся его знаменитое “Письмо к г.Бертолле”, в котором Ампер сформулировал открытый им независимо от Авогадро химический закон, именуемый ныне законом Авогадро-Ампера.

В 1816 году Ампер опубликовал свою классификацию химических элементов, первую в истории химии серьёзную  попытку расположить химические элементы по их сходству между собой.

Открытие Эрстедом в 1820 году действия электрического тока на магнитную стрелку  привлекает внимание Ампера к явлениям электромагнетизма. Ампер ставит многочисленные опыты, изобретает для этой цели сложные  приборы, которые изготавливает  за свой счёт, что сильно подрывает  его материальное положение.

С 1820 по 1826 год Ампер опубликовал  ряд теоретических и экспериментальных  трудов по электродинамике и почти  еженедельно выступал с докладами  к Академии наук. В 1822 году он выпустил “Сборник наблюдений по электромагнетизму”, в 1823 году – “Конспект теории электродинамических явлений” и, наконец, в 1826 году – знаменитую “Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта”. Ампер получает всемирную известность как выдающийся физик.

Представления о связи  между электричеством и магнетизмом

до Ампера

Ампер дал название “электродинамика” совокупности новых электрических явлений и отказался от понятия“электромагнетизм”, которое тогда уже фигурировало в терминологии физики. Ампер отбросил понятие “электромагнетизм”, по-видимому, по той причине, что считал теорию явлений, происходящих при взаимодействии токов, не нуждающихся в гипотезе того времени о магнитной жидкости. Он считал, что пока речь идёт только о взаимодействиях между током и магнитом, наименование “электромагнитные явления” было вполне уместно, так как оно подразумевало одновременное проявление электрических и магнитных эффектов, открытых Эрстедом. Но когда было установлено взаимодействие между токами, честь открытия которого принадлежит Амперу, то стало ясно, что здесь участвуют не магниты, а два или несколько электрических токов. “Поскольку явления,- писал он,- о которых здесь идёт речь, могут быть вызваны лишь электричеством, находящемся в движении, я счёл нужным обозначить их наименованием электродинамические явления”.

История электричества и магнетизма богата наблюдениями и фактами, различными взглядами и представлениями  о сходстве и различии электричества  и магнетизма.

Впервые свойства магнитного железняка  и янтаря описал Фалес Милетский в 6 веке до н.э., собравший значительный материал наблюдений. Его опыты были чисто умозрительными, не подтверждёнными опытами. Фалес дал малоубедительное объяснение свойствам магнита или натёртого янтаря, приписывая им “одушевлённость”. Через столетие после него Эмпедокл объяснял притяжение железа магнитом “истечениями”. Позднее подобное же объяснение в более определённой форме было представлено в книге Лукреция “О природе вещей”. Высказывания о магнитных явлениях имелись и в сочинениях Платона, где он описывал их в поэтической форме.

Представления о существе магнитных  действий были у учёных более близкого к нам времени – Декарта, Гюйгенса и Эйлера, причём эти представления  в некоторых отношениях не слишком  отличались от представлений древних  философов.

Со времени античности до эпохи  Ренессанса магнитные явления использовались либо как средство развлечения, либо как полезное устройство для усовершенствования навигации. Правда, в Китае буссоль  применялась для навигации ещё  до нашей эры. В Европе она стала  известна лишь в 13 веке, хотя впервые  упоминается в трудах средневековых  авторов – англичанина Некаме и француза Гио де Провенс в конце 12 века.

Первым экспериментатором, занявшимся магнитами, был Петр Перегрин из Марикура (13 век). Он опытным путём установил существование магнитных полюсов, притяжение разноимённых полюсов и отталкивание одноимённых. Разрезая магнит, он обнаружил невозможность изолировать один полюс от другого. Он выточил сфероид из магнитного железняка и пытался экспериментально показать аналогию в магнитном отношении между этим сфероидом и землёй. Этот опыт впоследствии ещё более наглядно воспроизвёл Гильберт, 1600 год.

Затем в области изучения магнитных  явлений наступило почти трёхвековое  затишье.

Древние (например, Теофраст) в 4 веке до н.э. обнаружили, что, кроме янтаря, и некоторые другие вещества (гагат, оникс) способны в результате трения приобретать свойства, впоследствии названный электрическими. Однако в течение долгого времени никто не сопоставил магнитные и электрические действия и не высказал мысли об их общности.

Одним из первых средневековых учёных (а возможно, и самым первым), кто  вёл попутное наблюдение фактов, могущих  навести на представления о взаимодействиях, сходстве или различии электрических  и магнитных явлений, был Кардан, который внёс в этот вопрос некоторую  упорядоченность. В сочинении “О точности” 1551 года он указывает на установлении им в результате экспериментов безусловного различия между электрическими и магнитнымипритяжениями. Если янтарь способен притягивать всякие лёгкие тела, то магнит притягивает только железо. Наличие препятствия (например, экрана) между телами прекращает действие электрического притяжения лёгких предметов, но не препятствует магнитному притяжению. Янтарь не притягивается теми кусочками, которые он сам притягивает, а железо способно притягивать сам магнит. Далее: магнитное притяжение направлено преимущественно к полюсам, лёгкие же тела притягиваются всей поверхностью натёртого янтаря. Для создания электрических притяженийнеобходимы, по мнению Кардана, трение и теплота, в то время как природный магнит проявляет силу притяжения без какой-либо его предварительной подготовки.

Наиболее яркий экспериментальный  метод и именно в области магнитных  и электрических явлений освоил УильямГильберт, возобновивший приёмы Петра Перегрина и развивший их. Вышедшее в 1600 году его сочинение о магнитах включало шесть книг и составило эпоху в научной литературе. Оно стало источником, которым пользовался Галилей и Кеплер, когда объясняли эксцентричность орбит притяжениями и отталкиваниями между солнечными и планетарными магнитами. Гильберт излагает соображения о сходствах и различиях магнитных и электрических явлений и приходит к выводу, что электрические явления отличны от явлений магнитных.

В 1629 году Николо Кабео опубликовал сочинение о магнитной философии, в котором впервые указал на существование электрических отталкиваний. Кабео, как и Гильберт, высказывал мысль о “сфере действия” магнита, которая ограничивается некоторым пространством вокруг тела. Так ещё неясно намечалось представление о магнитном поле. Эта мысль с большей определённостью была высказала Кеплером, который пришёл к понятию “линии действия”, составляющих в своей совокупности “сферу действия” вокруг каждого из полюсов.

Тогда явления электричества и  магнетизма объяснялись действием  невидимой тончайшей жидкости –  эфира. В 1644 году Декарт опубликовал  свой известный труд “Принципы философии”, где было уделено место вопросам магнетизма и электричества. По Декарту, вокруг каждого магнита существует тончайшее вещество, состоящее из невидимых вихрей.

Мнение Гильберта о коренном различии между электричеством и  магнетизмом прочно удерживалось в  науке более полутора столетий.

Ф.У.Т.Эпинус, занимавшийся исследованием  электричества и магнетизма, заставил учёных обратиться к вопросу о  сходстве этих двух явлений. Он также  положил начало новому этапу в  истории теоретических исследований в данной области, – он обратился  к расчётным методам исследования.

На новом этапе развития теорий электричества и магнетизма, открытом трудами Эпинуса, особо важными были работыКевендиша и Кулона. Кевендиш в своём сочинении 1771 года рассмотрел разные законы электрических действий с точки зрения обратной их пропорциональности расстоянию ( 1/r ⁿ ). Величину n он утвердил равной 2. Он вводит понятие о степени наэлектризованности проводника (то есть ёмкости) и об уравнивании этой степени у двух наэлектризованных тел, соединённых между собой проводником. Это первое количественное уточнение о равенстве потенциалов.

В 1785 году Кулон произвёл свои знаменитые исследования количественных характеристик  взаимодействия между магнитными полюсами, с одной стороны, и между электрическими зарядами – с другой. Кроме того, он ввёл понятие о магнитном моменте  и приписал эти моменты материальным частицам.

Вот примерно совокупность тех представлений, которые могли создаться у  Ампера до 1800 года, когда впервые  был получен электрический ток, и начались исследования явлений  гальванизма.

Новая эпоха в области электричества  и магнетизма началась на рубеже 18 и 19 веков, когда Александро Вольта опубликовал сообщение о способе производить непрерывный электрический ток. Вслед за этим довольно быстро по историческим меркам были открыты разнообразные действия гальванического электричества, то есть электрического постоянного тока; в частности способность тока разлагать воду и химические соединения (Карлейль и Никольсон, 1800; Петров, 1802; Гей-Люссак и Готро, 1808; Дэви, 1807); производить тепловые действия, нагревая проводник (Тенар, 1801, и другие); и многое другое.

Историческое открытие, столь важное для последующего развития науки  об электричестве и магнетизме и  получившее название электромагнетизма, произошло в 1820 году. Оно принадлежало Г.Х.Эрстеду, впервые заметившему действие проводника с током на магнитную стрелку компаса.

Электродинамика Ампера

До 1820 года Ампер обращался к  изучению электричества лишь случайно. Однако с момента, когда появились  первые сведения об открытии Эрстедом действий тока на магнит, и до конца 1826 года Ампер изучал явления электромагнетизма  настойчиво и целеустремлённо. Ампер  сам заявлял, что главный толчок его исследованиям в области  электродинамики дало открытие Эрстеда. К открытию Ампером механических взаимодействий между проводниками, по которым протекает, учёного привели  логические предпосылки: два проводника, на которые действует магнитная  стрелка и каждый из которых в  свою очередь по закону действия и  противодействия действует на неё, должны каким-то образом действовать  и друг на друга. Математические же знания помогли ему выявить, каким  образом взаимодействие токов зависит  от их расположения и формы.

В протоколе Академии наук от 18 сентября 1820 года, через неделю после того, как Амперу стало известно об опытах Эрстеда, были записаны следующие слова  Ампера: “Я свёл явления, наблюдавшиеся Эрстедом, к двум общим фактам. Я показал, что ток, который находится в столбе, действует на магнитную стрелку, как и ток в соединительной проволоке. Я описал опыты, посредством которых констатировал притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки соединительным проводом. Я описал приборы, которые я намереваюсь построить, и, среди прочих, гальванические спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты. Я занимался также некоторыми подробностями поведения, приписываемого мною магнитам, как исключительного свойства, происходящего от электрических токов в плоскостях, перпендикулярных к их оси, и от подобных же токов, существование которых я допускаю в земном шаре, в связи с этим я свёл все магнитные явления к чисто электрическим эффектам.”