Interakce elektrického proudu a magnetu. Rozvoj základů elektrodynamiky

Rozšíření a prohloubení výzkumu elektrických jevů vedlo k objevu a studiu nových vlastností elektrického proudu. V roce 1820 byly publikovány a předvedeny pokusy G. H. Oersteda o pozorování vlivu proudu na magnetickou jehlu, což vyvolalo velký zájem vědců z různých zemí a jejich práce se dále prohlubovaly a rozvíjely.

Oerstedova malá (méně než 5 stran) brožura „Experimenty týkající se působení elektrického konfliktu na magnetické jehle“ vyvolala mezi evropskými fyziky senzaci.

Oerstedův závěr, že „elektrický konflikt“ (tj. protipohyb pozitivní a negativní „elektrické hmoty“) ve vodiči je pozoruhodný. není omezena na vodivý drát, ale má širokou oblast činnosti kolem tohoto drátu. Tento konflikt vytváří vír kolem drátu.”

Je zřejmé, že Oersted se mýlil, když věřil, že magnetická střelka je ovlivněna srážkou různých druhů elektřiny. Oersted však v jedné ze svých prací, publikovaných již v roce 1812, navrhl spojení mezi elektrickými a magnetickými jevy: „Mělo by se vyzkoušet, zda elektřina ve své nejskrytější fázi nevyvolává žádné účinky na magnet jako takový.“

Brzy po vydání této brožury (v roce 1820) navrhl německý fyzik Johann H. S. Schweigger (1779-1857) využít vychylování magnetické střelky elektrickým proudem k vytvoření prvního měřicího zařízení – indikátoru proudu.

Jeho zařízení, které se nazývalo „násobič“ (tj. násobení), sestávalo z magnetické jehly umístěné uvnitř rámu sestávajícího z závitů drátu. Vlivem zemského magnetismu na magnetickou střelku multiplikátoru však byly její údaje nepřesné.

V roce 1821 Ampere demonstroval možnost eliminace vlivu zemského magnetismu pomocí astatického páru, který se skládal ze dvou magnetických jehel namontovaných na společné měděné ose a umístěných vzájemně rovnoběžně, s póly obrácenými v opačných směrech.

V roce 1825 spojil florentský profesor Leopoldo Pobili (1784-1835) astatickou dvojici s multiplikátorem a vytvořil tak citlivější zařízení – prototyp galvanometru.

V roce 1820 objevil D. F. Arago nový fenomén: magnetizaci vodiče proudem, který jím protéká. Pokud by měděný drát připojený k pólům galvanické hromady byl ponořen do železných pilin, ty by se k němu rovnoměrně přilepily. Po vypnutí proudu piliny odpadly. Když Arago vzal železný drát (vyrobený z měkkého železa) místo mědi, dočasně se zmagnetizoval. Kus oceli, když se takto zmagnetizoval, se stal permanentním magnetem.

Na doporučení Ampere nahradil Arago rovný drát drátěnou spirálkou, což zvýšilo magnetizaci jehly umístěné uvnitř spirálky. Tak vznikl solenoid. Aragovy experimenty byly první, které dokázaly elektrickou povahu magnetismu a možnost magnetizace oceli elektrickým proudem.

Během svého výzkumu Arago objevil (v roce 1824) další nový jev, který nazval „rotační magnetismus“, který spočíval v tom, že když se kovová (měděná) deska umístěná nad (nebo pod) magnetickou jehlou otáčí, tato se také začne otáčet. Ani Arago, ani Ampere nedokázali tento jev vysvětlit. Správné vysvětlení tohoto jevu podal Faraday až po objevu jevu elektromagnetické indukce.

Novým krokem od kvalitativního pozorování vlivu proudu na magnet ke stanovení kvantitativních závislostí bylo stanovení zákona o účinku proudu na magnet francouzskými vědci Jeanem Baptistem Biotem (1774-1862) a Felixem Savartem (1791-1841).

Po provedení řady experimentů stanovili (1820) toto: „Pokud drát neomezené délky, kterým prochází voltaický proud, působí na částici severního nebo jižního magnetismu umístěnou ve známé vzdálenosti od středu drátu, pak výslednice všech sil vycházejících z drátu směřuje kolmo k nejkratší vzdálenosti částice od prvku a celková proporce k severnímu drátu je v opačném směru k severnímu drátu drát.”

Objev tečné složky síly umožnil vysvětlit rotační charakter pohybu vodiče vůči magnetu. Francouzský vědec Pierre Simon Laplace (1749-1827) později ukázal, že síla vytvářená malou částí vodiče se mění nepřímo úměrně druhé mocnině vzdálenosti.

Velký vědecký a metodologický význam při rozšiřování studia nových jevů měly práce jednoho z největších francouzských vědců André-Marie Ampère (1775-1836), který položil základy elektrodynamiky.

Ampere byl od přírody mimořádně nadaný člověk. Navzdory tomu, že neměl možnost studovat na škole, neměl kromě svého otce, vysoce vzdělaného obchodníka, žádné učitele, ale s úžasnou vytrvalostí, samostatným získáváním znalostí se stal jedním z nejvzdělanějších lidí své doby.

Fyzika a matematika, astronomie a chemie, zoologie a filozofie – ve všech těchto vědách se jasně prokázaly Amperovy encyklopedické znalosti. Bylo mu pouhých 13 let, když předložil svou první matematickou práci Lyonské akademii věd, literatury a umění. Ve 14 letech prostudoval všech 20 svazků slavné „Encyklopedie“ Diderota a d’Alemberta a v 18 letech dokonale prostudoval díla L. Eulera, D. Boriulliho a J. Lagrange, znal latinu a několik cizích jazyků.

Ampérův osobní život byl plný tragických událostí: jako 18letý mladík byl šokován gilotinovou popravou svého otce jako příznivce Girondinů (1793), o pár let později pohřbil svou milovanou ženu; Osud jeho dcery byl velmi smutný – způsobil vážnou srdeční chorobu, která ho přivedla do hrobu.

Ale navzdory obrovskému nervovému napětí se Ampere podařilo najít sílu neúnavně se zapojit do základního vědeckého výzkumu a trvale přispět do pokladnice světové civilizace.

Jeho výzkum v oblasti elektromagnetismu otevřel novou stránku v historii elektrotechniky. A při studiu těchto jevů byly jasně odhaleny Amperovy úžasné schopnosti.

O Oerstedových pokusech se poprvé dozvěděl na zasedání pařížské akademie věd, kde je zopakoval během své zprávy pro Arago. Spolu se svým obdivem Ampere intuitivně vycítil důležitost tohoto objevu, ačkoli předtím elektromagnetické jevy nezkoumal.

A přesně o týden později (jen o týden později!), 18. září 1820, mluví Ampere na schůzi Akademie se zprávou o interakci proudů a magnetů a pak téměř v řadě – týden po týdnu (schůzky Akademie věd se konaly každý týden) předkládá předním francouzským vědcům výsledky svých slavných experimentálních a teoretických zobecnění, které se promítly do jeho slavných elektrodynamických prací.

V jednom ze svých dopisů Ampere zdůrazňuje, že „vytvořil novou teorii magnetu, redukující všechny jevy na jevy galvanismu“. Logika jeho zobecnění je zarážející: pokud je proud magnetem, pak by dva proudy měly interagovat jako magnety. Teď se to zdá zřejmé, ale nikdo na to před Amperem tak jasně neukázal. Amperova brilantní znalost matematiky mu umožnila teoreticky zobecnit svůj výzkum a formulovat slavný zákon, který nese jeho jméno.

Pozornost si zaslouží Ampereho filozofické dílo „Esej o filozofii vědy nebo analytický výklad přirozené klasifikace všech lidských znalostí“ (1834). V dnešní době bylo publikováno mnoho prací věnovaných studiu vědy, „vědy o vědách“. Svou „klasifikací“ Ampere položil základy této důležité oblasti vědeckého poznání před více než sto lety.

Podívejme se podrobněji na Amperovu práci v oblasti elektromagnetismu.

Nejprve poznamenejme, že Ampere jako první zavedl termín „elektrický proud“ a koncept směru elektrického proudu. Mimochodem, byl to on, kdo navrhl považovat směr proudu za „pohyb kladné elektřiny“ (od plus do mínus ve vnějším obvodu).

Pozorováním vychýlení magnetické střelky vlivem proudu protékajícího vodičem byl Ampere schopen formulovat pravidlo, které umožňuje určit směr vychýlení jehly v závislosti na směru proudu ve vodiči.

Toto pravidlo bylo v té době široce známé pod názvem „pravidlo plavce“ a bylo formulováno takto: „Pokud se člověk mentálně postaví tak, že proud teče směrem od nohou pozorovatele k hlavě a tak, aby jeho tvář byla otočena k magnetické střelce, pak se pod vlivem proudu bude severní pól magnetické střelky vždy vychylovat doleva.

Zvláště důležité byly Amperovy studie interakcí mezi kruhovými a lineárními proudy. K těmto studiím přistoupil na základě následující úvahy: pokud je magnet svými vlastnostmi podobný cívce nebo prstencovému vodiči protékajícím proudem, pak by na sebe měly dva kruhové proudy působit jako dva magnety.

Poté, co Ampere objevil interakci kruhových proudů, začal studovat lineární proudy. Za tímto účelem sestrojil tzv. „Ampérový stroj“, ve kterém mohl jeden vodič měnit polohu vůči druhému vodiči. V průběhu těchto experimentů bylo zjištěno, že dva lineární proudy se navzájem přitahují nebo odpuzují v závislosti na tom, zda mají proudy stejný nebo odlišný směr.

Série těchto experimentů umožnila Ampere stanovit zákon interakce lineárních proudů: „Dva paralelní a stejně směrované proudy se vzájemně přitahují, zatímco dva paralelní a opačně nasměrované proudy se odpuzují. Ampere navrhl nazvat objevené jevy „elektrodynamické“ na rozdíl od elektrostatických jevů.

Shrnutím výsledků své experimentální práce Ampere odvodil matematický výraz pro sílu interakce proudů, podobný tomu, co udělal Coulomb ve vztahu k interakci statických nábojů. Ampere tento problém vyřešil pomocí analytické metody, založené na Newtonových principech interakce hmoty a připodobňující tyto hmoty ke dvěma současným prvkům, libovolně umístěným v prostoru. V tomto případě Ampere předpokládal, že k interakci proudových prvků dochází podél přímky spojující středy těchto prvků a že je úměrná délce proudových prvků a samotných proudů. Ampérovy první monografie o interakci elektrických proudů byly zveřejněny v roce 1820.

Amperova elektrodynamická teorie byla představena v jeho práci „Teorie elektrodynamických jevů odvozených výhradně ze zkušenosti“, publikované v Paříži v letech 1826-1827. Ampere odvodil známý matematický výraz pro zákon interakce mezi dvěma proudovými prvky.

Na základě prací svých předchůdců a také na základě důležitých výsledků vlastního výzkumu dospěl Ampere k zásadně novému závěru o příčině magnetických jevů.

Ampere popíral existenci speciálních magnetických tekutin a tvrdil, že magnetické pole má elektrický původ. Všechny magnetické jevy redukoval na „čistě elektrické akce“. Na základě identity působení kruhových proudů a magnetů došel Ampere k závěru, že magnetismus jakékoli částice je způsoben přítomností kruhových proudů v této částici a vlastnosti magnetu jako celku jsou způsobeny elektrickými proudy umístěnými v rovinách kolmých k jeho ose.

Ampere zdůraznil, že „. tyto proudy kolem osy magnetu skutečně existují, nebo spíše, že magnetizace je operace, při které mají částice vlastnost vybudit pro tyto proudy stejný elektromotorický děj, jaký existuje ve galvanické hromadě. Magnetické jevy způsobuje výhradně elektřina. není žádný rozdíl mezi dvěma póly magnetu, kromě jejich polohy vzhledem k proudům, ze kterých se tento magnet skládá.”

Hypotéza molekulárních kruhových proudů vyvinutá Amperem byla novým progresivním krokem k materialistické interpretaci povahy magnetických jevů.

V roce 1820 předložil Ampere myšlenku možnosti vytvoření elektromagnetického telegrafu založeného na interakci vodiče s proudem a magnetické jehly. Ampere však navrhl vzít „tolik vodičů a magnetických jehel, kolik je písmen. umístěním každého písmena na samostatnou šipku.” Je zřejmé, že takový telegrafní návrh by byl velmi těžkopádný a nákladný, což zřejmě bránilo praktické realizaci Amperova návrhu. Najít schůdnější způsob, jak vytvořit telegraf, nějakou dobu trvalo.

Význam Ampereho práce pro vědu byl velmi velký. Ampere svým výzkumem dokázal jednotu elektřiny a magnetismu a přesvědčivě vyvrátil představy o magnetickém fluidu, které převládaly před ním. Zákony mechanické interakce elektrických proudů, které stanovil, patří k největším objevům v oblasti elektřiny.

Ampérův mimořádný přínos získal nejvyšší uznání (v roce 1881). První mezinárodní kongres elektrotechniků přidělil jednotce proudu název „Ampere“. Právem byl nazýván „Newtonem elektřiny“. Byl členem Pařížské akademie věd (od roku 1814) a mnoha dalších světových akademií, včetně Petrohradské akademie (od roku 1830).

Veselovský O. N. Shneiberg A. Ya “Eseje o historii elektrotechniky”