АМАмпер основоположник електродинаміки

Міністерство освіти РФ

Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет (ЛЕТІ)

Факультет електротехніки та автоматики

Кафедра електротехнологічний та перетворювальної техніки

РЕФЕРАТ

на тему: А. М. Ампер - основоположник електродинаміки

Санкт - Петербург

2001
ЗМІСТ

Початок наукової діяльності вченого

Андре-Марі Ампер народився 20 січня 1775 року в Ліоні в сім'ї утвореного комерсанта. Батько його незабаром переселився з родиною в маєток полем, розташоване в околицях Ліона, і особисто керував вихованням сина. Вже до 14 років Ампер прочитав всі 20 томів знаменитої "Енциклопедії" Дідро і Д'Аламбера. Виявляючи з дитинства велику схильність до математичних наук, Ампер до 18 років досконало вивчив основні праці Ейлера, Бернуллі і Лагранжа. До того часу він добре володів латиною, грецькою та італійською мовами. Іншими словами, Ампер отримав глибоке і енциклопедичну освіту.

У 1793 році в Ліоні спалахнув контрреволюційний заколот. Батько Ампера - жирондисти, виконував обов'язки судді при бунтівників, після придушення заколоту був страчений як спільник аристократів. Майно його було конфісковано. Юний Ампер почав свою трудову діяльність з приватних уроків. У 1801 році він зайняв посаду викладача фізики та хімії центральної школи в місті Бурзі. Тут він написав першу наукову працю, присвячений теорії ймовірності "Досвід математичної теорії гри". Ця робота привернула увагу д'Аламбера і Лапласа. І Ампер став викладати математику і астрономію в Ліонському ліцеї. У 1805 році Ампер був призначений репетитором з математики в знаменитій Політехнічній школі в Парижі і з 1809 року завідував кафедрою вищої математики і механіки. У цей період Ампер публікує ряд математичних праць з теорії рядів. У 1813 році його обирають членом Інституту (тобто Паризької Академії наук) на місце померлого Лагранжа. Незабаром після обрання Ампер доповів в Академію своє дослідження про заломлення світла. До цього ж часу відносяться його знамените "Лист до г.Бертолле", в якому Ампер сформулював відкритий ним незалежно від Авогадро хімічний закон, іменований нині законом Авогадро-Ампера.

У 1816 році Ампер опублікував свою класифікацію хімічних елементів, першу в історії хімії серйозну спробу розташувати хімічні елементи по їх подібності між собою.

Відкриття Ерстед у 1820 році дії електричного струму на магнітну стрілку привертає увагу Ампера до явищ електромагнетизму. Ампер ставить численні досліди, винаходить для цієї мети складні прилади, які виготовляє за свій рахунок, що сильно підриває його матеріальне становище.

З 1820 по 1826 рік Ампер опублікував ряд теоретичних і експериментальних праць з електродинаміки і майже щотижня виступав з доповідями до Академії наук. У 1822 році він випустив "Збірник спостережень з електромагнетизму", в 1823 році - "Конспект теорії електродинамічних явищ" і, нарешті, в 1826 році - знамениту "Теорію електродинамічних явищ, виведених виключно з досвіду". Ампер отримує всесвітню популярність як видатний фізик.

Уявлення про зв'язок між електрикою і магнетизмом

до Ампера

Ампер дав назву "електродинаміка" сукупності нових електричних явищ і відмовився від поняття "електромагнетизм", яке тоді вже фігурувало в термінології фізики. Ампер відкинув поняття "електромагнетизм", мабуть, з тієї причини, що вважав теорію явищ, що відбуваються при взаємодії струмів, що не потребують гіпотезі того часу про магнітної рідини. Він вважав, що поки мова йде тільки про взаємодії між струмом і магнітом, найменування "електромагнітні явища" було цілком доречно, оскільки воно мало на увазі одночасне прояв електричних і магнітних ефектів, відкритих Ерстед. Але коли було встановлено взаємодії між струмами, честь відкриття якого належить Амперу, то стало ясно, що тут беруть участь не магніти, а два або кілька електричних струмів. "Оскільки явища, - писав він, - про які тут йде мова, можуть бути викликані лише електрикою, що знаходиться в русі, я вважав за потрібне позначити їх найменуванням електродинамічні явища".

Історія електрики і магнетизму багата спостереженнями і фактами, різними поглядами та уявленнями про схожість і відмінності електрики і магнетизму.

Вперше властивості магнітного залізняку і бурштину описав Фалес Мілетський в 6 столітті до н.е., зібрав значний матеріал спостережень. Його досліди були суто умоглядними, не підтвердженими дослідами. Фалес дав малопереконливо пояснення властивостям магніту або натертого бурштину, приписуючи їм "натхненність". Через століття після нього Емпедокл пояснював тяжіння заліза магнітом "витіканнями". Пізніше подібне ж пояснення в більш визначеною формі було представлено в книзі Лукреція "Про природу речей". Висловлювання про магнітні явища були і в творах Платона, де він описував їх у поетичній формі.

Уявлення про суть магнітних дій були у вчених ближчого до нас часу - Декарта, Гюйгенса і Ейлера, причому ці уявлення в деяких відносинах не надто відрізнялися від уявлень древніх філософів.

З часу античності до епохи Ренесансу магнітні явища використовувалися або як засіб розваги, або як корисний пристрій для удосконалення навігації. Правда, в Китаї бусоль застосовувалася для навігації ще до нашої ери. У Європі вона стала відома лише в 13 столітті, хоча вперше згадується в працях середньовічних авторів - англійця Некаме і француза Гіо де Провенс в кінці 12 століття.

Першим експериментатором, що зайнявся магнітами, був Петро Перегрін з Марікура (13 століття). Він дослідним шляхом встановив існування магнітних полюсів, тяжіння різнойменних полюсів і відштовхування однойменних. Розрізаючи магніт, він виявив неможливість ізолювати один полюс від іншого. Він виточив сфероїд з магнітного залізняку і намагався експериментально показати аналогію в магнітному відношенні між цим сфероїд і землею. Цей досвід згодом ще більш наочно відтворив Гільберт, 1600 рік.

Потім в області вивчення магнітних явищ настав майже трьохсотлітньої затишшя.

Древні (наприклад, Теофраст) в 4 столітті до н.е. виявили, що, крім бурштину, і деякі інші речовини (гагат, онікс) здатні в результаті тертя набувати властивості, згодом названий електричними. Проте протягом довгого часу ніхто не зіставив магнітні та електричні дії і не висловив думки про їх спільності.

Одним з перших середньовічних вчених (а можливо, і найпершим), хто вів попутне спостереження фактів, що можуть навести на уявлення про взаємодію, схожості чи відмінності електричних і магнітних явищ, був Кардан, який вніс у це питання деяку впорядкованість. У творі "Про точність" 1551 він вказує на встановленні їм у результаті експериментів безумовного відмінності між електричними і магнітними тяжіння. Якщо бурштин здатний притягати всякі легкі тіла, то магніт притягує тільки залізо. Наявність перешкоди (наприклад, екрану) між тілами припиняє дію електричного притягання легких предметів, але не перешкоджає магнітному тяжінню. Янтар не притягується тими шматочками, які він сам притягує, а залізо здатне притягувати сам магніт. Далі: магнітне тяжіння спрямована переважно до полюсів, легкі ж тіла притягуються всією поверхнею натертого бурштину. Для створення електричних тяжінь необхідні, на думку Кардана, тертя і теплота, у той час як природний магніт проявляє силу тяжіння без будь-якої його попередньої підготовки.

Найбільш яскравий експериментальний метод і саме в області магнітних і електричних явищ освоїв Вільям Гільберт, який відновив прийоми Петра Перегрина і розвинув їх. Видання, що вийшло в 1600 році його твір про магніти включало шість книг і склало епоху в науковій літературі. Воно стало джерелом, яким користувався Галілей і Кеплер, коли пояснювали ексцентричність орбіт тяжіння і відштовхування між сонячними і планетарними магнітами. Гільберт викладає міркування про подібності і розходження магнітних і електричних явищ і приходить до висновку, що електричні явища відмінні від явищ магнітних.

У 1629 році Ніколо Кабе опублікував твір про магнітну філософії, в якому вперше вказав на існування електричних відштовхувань. Кабе, як і Гільберт, висловлював думку про "сфері дії" магніту, яка обмежується деяким простором навколо тіла. Так ще неясно намічалося уявлення про магнітне поле. Ця думка з більшою визначеністю була висловила Кеплером, який прийшов до поняття "лінії дії", що становлять у своїй сукупності "сферу дії" навколо кожного з полюсів.

Тоді явища електрики і магнетизму пояснювалися дією невидимої найтоншої рідини - ефіру. У 1644 році Декарт опублікував свій відомий працю "Принципи філософії", де було приділено місце питань магнетизму і електрики. За Декарту, навколо кожного магніту існує найтонше речовина, що складається з невидимих ​​вихорів.

Думка Гільберта про докорінну відмінність між електрикою і магнетизмом міцно утримувалося в науці понад півтора століття.

Ф. У. Т. Епінус, що займався дослідженням електрики і магнетизму, змусив учених звернутися до питання про подібність цих двох явищ. Він також поклав початок новому етапу в історії теоретичних досліджень у даній області, - він звернувся до розрахункових методів дослідження.

На новому етапі розвитку теорій електрики і магнетизму, відкритому працями Епінуса, особливо важливими були роботи Кевендіша і Кулона. Кевендіш у своєму творі 1771 розглянув різні закони електричних дій з точки зору зворотної їх пропорційності відстані (1/rn). Величину n він затвердив рівної 2. Він вводить поняття про ступінь наелектризованість провідника (тобто накопичувачі) та про зрівнювання цього ступеня у двох наелектризованих тіл, з'єднаних між собою провідником. Це перше кількісне уточнення про рівність потенціалів.

У 1785 році Кулон справив свої знамениті дослідження кількісних характеристик взаємодії між магнітними полюсами, з одного боку, і між електричними зарядами - з іншого. Крім того, він ввів поняття про магнітне моменті і приписав ці моменти матеріальним частинкам.

Ось приблизно сукупність тих уявлень, які могли скластися у Ампера до 1800 року, коли вперше був отриманий електричний струм, і почалися дослідження явищ гальванізму.

Нова епоха в області електрики і магнетизму почалася на рубежі 18 і 19 століть, коли Олександро Вольта опублікував повідомлення про спосіб виробляти безперервний електричний струм. Слідом за цим досить швидко за мірками були відкриті різноманітні дії гальванічного електрики, тобто електричного постійного струму; зокрема здатність струму розкладати воду і хімічні сполуки (Карлейль і Нікольсон, 1800; Петров, 1802; Люссак і Готро, 1808; Деві , 1807); виробляти теплові дії, нагріваючи провідник (Тенар, 1801, та інші); і багато іншого.

Історичне відкриття, настільки важливе для подальшого розвитку науки про електрику і магнетизм і отримало назву електромагнетизму, відбулося в 1820 році. Воно належало Г. Х. Ерстеда, вперше помітив дію провідника зі струмом на магнітну стрілку компаса.

Електродинаміка Ампера

До 1820 року Ампер звертався до вивчення електрики лише випадково. Проте з моменту, коли з'явилися перші відомості про відкриття Ерстед дій струму на магніт, і до кінця 1826 року Ампер вивчав явища електромагнетизму наполегливо і цілеспрямовано. Ампер сам заявляв, що головний поштовх його дослідженням в галузі електродинаміки дало відкриття Ерстеда. До відкриття Ампером механічних взаємодій між провідниками, по яких протікає, вченого призвели логічні передумови: два провідники, на які діє магнітна стрілка і кожен з яких в свою чергу за законом дії та протидії діє на неї, повинні якимсь чином діяти і один на одного. Математичні ж знання допомогли йому виявити, яким чином взаємодія струмів залежить від їх розташування і форми.

У протоколі Академії наук від 18 вересня 1820 року, через тиждень після того, як Амперу стало відомо про досліди Ерстеда, були записані такі слова Ампера: "Я звів явища, що спостерігалися Ерстед, до двох загальним фактами. Я показав, що струм, який знаходиться в стовпі, діє на магнітну стрілку, як і струм в сполучній дроті. Я описав досліди, за допомогою яких констатував тяжіння або відштовхування всій магнітної стрілки з'єднувальним проводом. Я описав прилади, які я маю намір побудувати, і, серед інших, гальванічні спіралі і завитки. Я висловив ту думку, що ці останні повинні виробляти у всіх випадках такий же ефект, як магніти. Я займався також деякими подробицями поведінки, приписуваного мною магнітів, як виняткового властивості, що походить від електричних струмів в площинах, перпендикулярних до їх осі, і від подібних ж струмів, існування яких я допускаю в земній кулі, у зв'язку з цим я звів всі магнітні явища до чисто електричним ефектів. "

Проходить ще тиждень. На засіданні 25 вересня 2001 Ампер знову виступив з повідомленням, в якому він розвиває раніше викладені міркування. Протокольний запис Академії наук говорить: "Я надав великий розвиток цієї теорії і сповістив про новий факт тяжіння і відштовхування двох електричних струмів без участі будь-якого магніту, а також про факт, який я спостерігав з спиралевидні провідниками. Я повторив ці досліди під час цього засідання. "

Потім виступу Ампера в Академії наук слідували одне за іншим. Це було в житті Ампера час, коли він весь був поглинений дослідами і розробкою теорії.

Роботи Ампера, пов'язані з електродинаміки, розвивалися логічно і пройшли через кілька етапів, будучи тісно між собою пов'язаними. Початкові його дослідження в цій області стосувалися з'ясування дій електричного кола, по якій проходить струм, на іншу ланцюг і оцінювали явища лише якісно. Ампер був першим, хто виявив дію струму на струм, він був першим, хто поставив досліди для з'ясування цього.

Ранні роботи Ампера з електродинаміки дозволяють припускати, що його початкові уявлення про електрику зводилося до "макроскопічними" струмам: частки в стержні сталевого магніту діяли як пари, складові вольтів стовп, і, таким чином, навколо стрижня опинявся соленоідообразний електричний струм. Думка про молекулярних електричних струмах у нього виникла пізніше.

Вихідним матеріалом для Ампера служили досліди і спостереження. Експериментуючи, він користувався різноманітними прийомами і апаратурою, починаючи з простих комбінацій провідників або магнітів і закінчуючи побудовою досить складних приладів. Результати дослідів і спостережень служили для нього підставою для пояснення характеристик або властивостей явищ, створення теорії і вказівки можливих практичних висновків. Потім Ампер математично обгрунтовував висловлену ним теорію; це іноді вимагало спеціальних математичних методів, ніж Амперу і доводилося попутно займатися. У результаті Ампер створив міцну основу для нового розділу фізики, названого їм електродинамікою.

Основні ідеї електродинаміки Ампера такі. По-перше, взаємодії електричних струмів. Тут робиться спроба розмежувати дві характеристики станів, що спостерігається в електричному ланцюзі, і дати їм визначення: це - електрична напруга і електричний струм. Ампер вперше вводить поняття "електричний струм", і слідом за цим поняття "напрям електричного струму". Для констатації наявності струму і для визначення його напрямку і "енергії" Ампер пропонує користуватися приладом, якому він дав назву гальванометра. Таким чином, Амперу належить ідея створення такого вимірювального приладу, який міг би служити для вимірювання сили струму.

Ампер вважав за потрібне внести також уточнення до найменування полюсів магніту. Він назвав південним полюсом магнітної стрілки той, який звернений на північ, а північним полюсом той, який спрямований на південь.

Ампер чітко вказує на відмінність між взаємодією зарядів і взаємодією струмів: взаємодія струмів, припиняється з розмиканням ланцюга; в електростатиці тяжіння виявляється при взаємодії різнойменних електрики, відштовхування - при однойменних; при взаємодії струмів картина зворотна: струми одного напрямку притягуються, а різних знаків - відштовхуються . Крім того, він виявив, що тяжіння і відштовхування струмів у вакуумі відбувається так само, як у повітрі.

Перейшовши до дослідження взаємодій між струмом і магнітом, а також між двома магнітами, Ампер приходить до висновку про те, що магнітні явища викликаються виключно електрикою. Грунтуючись на цій своїй ідеї, він висловлює думку про тотожність природного магніту і контуру зі струмом, названого їм соленоїдом, тобто замкнутий струм повинен вважатися еквівалентним елементарного магніту, який можна собі уявити у вигляді "магнітного листка" - нескінченно тонкої пластини магнітного матеріалу. Ампер формулює наступну теорему: який завгодно малий замкнутий струм діє на будь-який магнітний полюс так само, як буде діяти малий магніт, поміщений на місці струму, що має ту ж магнітну вісь і той же магнітний момент. Думка про тотожність дії магнітного листка і елементарного кругового струму підтвердилася математично за допомогою теореми Ампера про перетворення подвійного інтеграла по поверхні в простій інтеграл по контуру.

Інший параграф розглянутого мемуара присвячений орієнтуванні електричних струмів під впливом земного кулі. Ампер хотів перевірити за допомогою електричних струмів вже добре відомий ефект: як дію земного поля впливає на відмінювання і нахил магнітної стрілки. Досліди підтвердили, що Земля є великий магніт, що має свої полюси, здатний діяти на інший магніт і на струми. Підтвердилося думку Ампера про направлення земних електричних струмів, і все виявилося в повній згоді з Амперовой теорією магнетизму.

Другий фундаментальну працю Ампера, зміст якого передруковувалося в інших джерелах, називається "Про виведення формули, що дає вираз для взаємодії двох нескінченно малих відрізків електричних провідників". Ця робота присвячена математичному виразу для сили взаємодії між двома нескінченно малими струмами, розташованими довільно в просторі. Ампер зробив тут допущення, що сили прикладені до середини струмів і діють по прямій лінії, що проходить через ці середини. Дія, за Амперу, має залежати від відстані між струмами і від кутів між струмом з лінією, що з'єднує їх середини. Сила взаємодії, отже, повинна була мати загальне вираження у такому вигляді:

df = ii ¢ ds ds ¢ / rn × Ф (e, q, q ¢),

де i і i ¢ - електричні струми; ds і ds ¢ - довжини елементів провідника; r - відстань між серединними струмів; q і q ¢ - кути, утворені елементами струму з лінією між серединний; e - кут між самими елементами.

Для того, щоб визначити число n і функцію Ф, потрібно виміряти дійсні сили взаємодії в різних випадках. Однак у той час проведення подібних вимірів було неможливо, і Амперу довелося звернутися до іншого методу. Він став досліджувати випадки рівноваги струмів, розташованих різним чином по відношенню один до одного. Такий метод, виключно складний і доступний лише людині з великими математичними знаннями, привів Ампера до остаточної формі вираження сили взаємодії між двома елементами струму, а саме:

df = ii ¢ ds ds ¢ / r2 × (cos e - 3 / 2 cos q cos q ¢).

Ампер також став автором методів вимірювання електродинамічних дій і відповідних приладів, які не втратили свого значення і в наш час.

Гігантська робота Ампера над "Теорією" протікала в дуже важких умовах. "Я змушений спати пізно вночі ... Будучи навантажений читанням двох курсів лекцій, я тим не менш не хочу повністю закинути мої роботи про вольтаіческіх провідниках і магнітах. Я маю у своєму розпорядженні ліченими хвилинами ", - повідомляє він в одному з листів. Лекції Ампера з вищої математики користувалися широкою популярністю і залучали численних слухачів. Одним з них був у 1822-1824 роки прибув з Росії молодий Михайло Васильович Остроградський.

Інші праці Ампера

З 1827 року Ампер майже не займається питаннями електродинаміки, вичерпавши, по видимому, свої наукові задуми в цьому напрямку. Він повертається до проблем математики, і в наступні дев'ять років життя публікує "Виклад принципів варіаційного обчислення" і ряд інших чудових математичних робіт.

Але творчість Ампера ніколи не обмежувалося математикою і фізикою. Енциклопедичну освіту і різнобічні інтереси раз у раз спонукали його займатися найрізноманітнішими галузями наук. Так, наприклад, він багато займався порівняльної зоологією і прийшов до твердого переконання про еволюцію тварин організмів. На цьому грунті Ампер вів запеклі суперечки з Кюв'є і його прихильниками. Коли одного разу його супротивники запитали, чи дійсно він вважає, що "людина походить від равлика", Ампер відповів: "Після ретельного дослідження я переконався в існуванні закону, який зовні здається дивним, але який з часом буде визнаний. Я переконався, що людина виникла за законом, спільного для всіх тварин ".

Але поряд з науковими проблемами Ампер приділяв чимало уваги богослов'я. У цьому позначився вплив клерикальної домашнього середовища. Вже з молодих років Ампер потрапив у чіпкі лапи єзуїтів, не відпускали його до кінця життя. Певний час він намагався подолати вплив, однак позбутися від цього оточення йому не вдалося.

Ампер не міг пройти байдуже повз гострих соціальних питань своєї епохи. У своїх листах 1805 він проявляє різке критичне ставлення до Бонапарта. У листах 1814 висловлюється глибока скорбота і біль патріота Франції, окупованій іноземними військами. У листах 20-х років Ампер висловлює гаряче співчуття Греції, яка бореться за незалежність, і висловлює обурення політикою великих держав у грецькому питанні. У листах Ампера разом з тим містяться найбезглуздіші міркування про догмах католицької церкви і т.п. Ця двоїстість і суперечливість поглядів Ампера різко позначається у всіх його працях, де зачіпаються громадські та філософські питання.

Заслуговує на увагу велика праця Ампера "Досвід філософських наук або аналітичне виклад природної класифікації всіх людських знань". Перший том цієї праці вийшов в 1834 році, другий том залишився незакінченим і був виданий після смерті Ампера, в 1843 році. Незважаючи на ряд помилкових і часом безглуздих висловлювань, Ампер постає перед нами в цій праці як людина, глибоко і щиро переконаний в безмежній прогрес людства і глибоко вболіває за благо народів. Ампер розглядає будь-яку науку як систему об'єктивних знань про дійсність. Разом з тим він вважає, що будь-яка область знання покликана не тільки пояснювати явища, що відбуваються в природі, людському суспільстві та свідомості, а й впливати на них. Ампер намітив кілька нових, ще не існуючих наук, які мають бути створені для задоволення різних людських запитів. Поряд з такими науками як кібернетика та кінематика, появу яких він передбачав, особливе місце він приділяє новій науці, названої ним "ценольбогеміей", науці про людське щастя. Ця наука покликана перш за все з'ясувати обставини і причини, що роблять сприятливий чи несприятливий вплив на людське суспільство. "Чому там встановилося рабство або стан, мало відрізняється від нього, а там - деяка ступінь свободи, більш відповідна гідності людини та її щастя. Нарешті, які причини, що призвели до гігантського збагачення декількох сімейств і до злиднів більшості. Такі питання, - говорить Ампер, - досліджувані наукою, якою я дав назву "ценольбогеніі". Але ця наука осмислює те, що спостережено статистикою і пояснено "хрематологіей" (за Амперу, наука про народне багатство) та узгоджено в закони "порівняльної ценольбогеніей" (за Амперу, наука, узагальнююча дані статистики та виводить з цих даних закони), - вона вказує, якими засобами можна поступово покращувати соціальний стан та привести мало-помалу до зникнення всі ті причини, які утримують нації в стані слабкості і злиднів. "

Турбота Ампера про благо народу також проявилася у його невтомній діяльності щодо поліпшення народної освіти. Під час однієї зі своїх поїздок з інспектування шкіл Ампер важко захворів і помер 10 червня 1836 року в Марселі.

У 1881 році перший міжнародний конгрес електриків прийняв постанову про найменування одиниці сили електричного струму "ампер" на згадку Андре-Марі Ампера.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Белькінд Л.Д. Андре-Марі Ампер, 1775-1836. - М: Наука, 1968. - 278 с.

Ампер А.М. Електродинаміка. - Вид-во Акад. Наук СРСР, 1954.

Голін Г.М., Филонович С.Р. Класики фізичної науки (З найдавніших времйн до початку ХХ століття). - М.: Вища школа, 1989. - 576 с.