Удивительные открытия - Сергей Нечаев

«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 свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам».

Пророческие слова Ампера, выношенные им в течение всего лишь одной недели, стали основой его электродинамики – науки, изучающей электромагнитное поле и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд, а также сводящей все магнитные явления к явлениям электрическим.

Всех в тот день поразил тон Ампера: он высказал мнение, что спирали и завитки должны вести себя как магниты. Он был абсолютно уверен в этом.

На следующий день, 19 сентября 1820 года, Ампер решил как можно скорее проверить, будут ли завитки и спирали обнаруживать те же свойства, что и магниты. Однако слабые Вольтовы столбы, имевшиеся в распоряжении Ампера и Френеля, не дали желаемого эффекта. Это было сродни катастрофе, ведь заявления, сделанные Ампером, грозили так и остаться неподтвержденными… А может быть, даже и оказаться неверными…

Тем не менее уже через несколько дней Амперу предстояло выступать с новым докладом, подтверждающим его теории. А нужных результатов экспериментов все не было и не было: доказать, что притяжение и отталкивание объясняются только электрическими токами, а магнитные свойства являются лишь следствием протекающих токов, никак не удавалось.

25 сентября 1820 года Ампер должен был подняться на трибуну. К счастью, накануне он вспомнил, что для университета только что был изготовлен новый большой Вольтов столб. Он оказался на месте, но начальство, поднятое на ноги в воскресный день по такому поводу, давать прибор не пожелало, видимо, боясь, что ценная вещь будет испорчена в процессе каких-то сомнительных экспериментов. Амперу пришлось идти к мастерам, делавшим столб, и при университетском начальстве заказать еще один точно такой же. При этом он пообещал, что отдаст университету новый прибор, как только он будет изготовлен. Только на таких условиях Амперу удалось заполучить необходимый Вольтов столб и доставить его к себе в квартиру.

Новый Вольтов столб был превосходен. Ток, шедший по его спиралькам и завиткам, легко превращал их в магниты, они притягивались одними концами и отталкивались другими – словом, вели себя точно так же, как куски магнитного железняка или намагниченного железа – единственные магниты, известные в то время…

Короче говоря, когда 25-го числа Ампер поднимался на кафедру Академии, он уже мог доказать всем, что его взгляды, столь самуверенно высказанные неделю назад, были совершенно правильны. До нас дошли следующие слова Ампера из протокола заседания:

«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».