Маріо Льоцці
ДОСВІД Ерстед
Можливе існування тісного зв'язку між електрикою і магнетизмом припускали вже найперші дослідники, уражені аналогією електростатичних і магнітостатичних явищ тяжіння і відштовхування. Це подання було настільки поширене, що спочатку Кардан, а потім і Гільберт вважали його забобоном і всіляко намагалися довести відмінність цих двох явищ. Але це припущення знову виникло у XVIII столітті вже з більшою підставою, коли було встановлено намагничивающей дію блискавки, а Франкліну і Беккаріа вдалося домогтися намагнічування за допомогою розряду лейденської банки. Закони Кулона, формально однакові для електростатичних і магнітостатичних явищ, знову висунули цю проблему.
Після того як завдяки батареї Вольта з'явилася можливість отримувати електричний струм протягом довгого часу, спроби виявити зв'язок між електричними і магнітними явищами стали більш частими і більш інтенсивними. І все ж, незважаючи на інтенсивні пошуки, відкриття змусило себе чекати цілих двадцять років. Причини такої затримки слід шукати в наукових уявленнях, що панували в ті часи. Всі сили розумілися тільки в ньютонівському сенсі, тобто як сили, які діють між матеріальними частками за що сполучає їх прямий. Тому дослідники намагалися виявити сили саме цього роду, створюючи пристосування, за допомогою яких вони сподівалися знайти передбачуване тяжіння або відштовхування між магнітним полюсом і електричним струмом (або, висловлюючись більш загальним чином, між "гальванічним флюїдом" і магнітним флюїдом) або ж намагалися намагнітити сталеву голку, спрямовуючи по ній струм.
Взаємодія між гальванічним і магнітним флюїдом намагався виявити і Джан Доменіко Романьозі (1761-1835) в дослідах, описаних ним у статті 1802 р., на яку Гульєльмо Лібра (1803-1869), П'єтро Конфільяккі (1777-1844) і багато інших посилалися потім , приписуючи Романьозі пріоритет цього відкриття. Достатньо, однак, прочитати цю статтю, щоб переконатися, що в дослідах Романьозі, що проводилися з батареєю з незамкненою ланцюгом та магнітної голкою, взагалі немає електричного струму, і тому найбільше, що він міг спостерігати, - це звичайне електростатичне дію.
Коли 21 липня 1820 в одній дуже лаконічній статті на чотирьох сторінках (латинською мовою), під заголовком "Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam" датський фізик Ганс Християн Ерстед (1777-1851) описав фундаментальний досвід з електромагнетизму, доводить, що струм в прямолінійному провіднику, що йде уздовж меридіана, відхиляє магнітну голку від напрямку меридіана, інтерес і подив учених були великі не тільки тому, що було отримано настільки, довго розшукували вирішення проблеми, але й тому, що новий досвід, як відразу ж стало ясно, вказував на силу неньютонівської типу. У самому справі, з досвіду Ерстеда ясно було видно, що сила, що діє між магнітним полюсом і елементом струму, спрямована не за що сполучає їх прямій, а по нормалі до цієї прямої, тобто вона, як тоді говорили, є "силою повертає ". Значення цього факту відчувалося, вже тоді, хоча повністю воно було усвідомлено лише через багато років. Досвід Ерстеда викликав першу тріщину в ньютонівської моделі світу.
Про те скруті, в яке потрапила наука, можна судити, наприклад, по замішання, в якому знаходилися італійські, французькі, англійські і німецькі перекладачі, які перекладали на рідну мову латинську статтю Ерстеда. Часто, зробивши буквальний переклад, який представлявся їм неясним, вони приводили в примітці латинський оригінал.
Дійсно неясним у статті Ерстеда ще й сьогодні залишається пояснення, яке він намагається дати спостерігався їм явищам, зумовленим, на його думку, двома протилежно спрямованими спіральними рухами навколо провідника "електричної матерії, відповідно позитивною і негативною".
Винятковість явища, відкритого Ерстед, відразу ж привернула до нього велику увагу експериментаторів і теоретиків. Араго, повернувшись з Женеви, де він був присутній при аналогічних дослідах, повторених Де ла Рівом, розповів про них у Парижі, а у вересні того ж 1820 р. зібрав свою відому установку з вертикальним провідником струму, що проходить крізь горизонтально розташований шматок картону, посипаний залізними тирсою. Але кіл із залізних тирси, які ми зазвичай помічаємо при проведенні цього досвіду, він не виявив. Експериментатори бачать ясно ці кола з тих пір, як Фарадей висунув теорію "магнітних кривих", або "силових ліній". Дійсно, нерідко, щоб побачити щось, потрібно дуже бажати цього! Араго ж бачив тільки, що провідник, за його висловом, "обліплюють залізними тирсою так, як якщо б це був магніт", з чого він зробив висновок, що "струм викликає магнетизм у залозі, яке не піддавалося попередньому намагничиванию".
Все в тому ж 1820 Біо зачитав дві доповіді (30 жовтня та 18 грудня), в яких повідомляв про результати проведеного ним разом з Саварен експериментального дослідження. Намагаючись відкрити закон, що визначає залежність величини електромагнітної сили від відстані, Біо вирішив скористатися методом коливань, яким раніше користувався вже Кулон. Для цього він зібрав установку, що складається з товстого вертикального провідника, розташованого поруч з магнітною стрілкою: при включенні струму в провіднику стрілка починає коливатися з періодом, що залежать від електромагнітної сили, що діє на полюси при різних відстанях від центру стрілки до провідника зі струмом. Вимірявши ці відстані, Біо і Савар вивели що носить тепер їх ім'я добре відомий закон, який у своїй першій формулюванні не враховував інтенсивності струму (її тоді не вміли ще вимірювати).
Дізнавшись про результати дослідів Біо і Савара, Лаплас зауважив, що дія струму можна розглядати як результат окремих дій на полюси стрілки нескінченного числа нескінченно малих елементів, на які можна розділити струм, і уклав з цього, що кожен елемент струму діє на кожен полюс з силою , зворотно пропорційною квадрату відстані цього елемента від полюса. Про те, що Лаплас взяв участь в обговоренні цієї проблеми, мовиться у Біо в його роботі "Precis elementaire de physique ехреrimentale" (2-е вид., II, Париж, 1821, стор 122). У творах ж Лапласа, наскільки нам відомо, немає ніякого натяку на таке зауваження, з чого можна зробити висновок, що він, мабуть, висловив це в усній дружній розмові з самим Біо.
Щоб поповнити свої відомості про цю елементарної силі, Біо спробував, на цей раз один, визначити дослідним шляхом, чи змінюється і якщо змінюється, то яким чином дію елемента струму на полюс зі зміною кута, утвореного напрямом струму і прямий, що з'єднує середину елемента з полюсом . Досвід полягав у порівнянні того, яку дію чинить на одну і ту ж стрілку паралельний їй струм і струм, спрямований під кутом. З даних досвіду Біо шляхом розрахунку, якого він не опублікував, але який, безумовно, був помилковим, як це показав в 1823 р. Ф. Саварі (1797-1841), визначив, що ця сила пропорційна синусу кута, утвореного напрямом струму і прямий , що з'єднує розглянуту точку з серединою елемента струму. Таким чином, те, що зараз називають "першим елементарним законом Лапласа", значною мірою є відкриттям Біо.
Гальванометр
Згаданий уже нами досвід Араго, який пояснювався багатьма фізиками того часу тим, що дріт, по якому проходить струм, намагнічується, був відразу правильно зрозумілий Ампером, негайно ж передбачив, а потім незабаром і підтвердив експериментально, що сталевий брусок, поміщений усередині спіралі, по якій проходить струм, набуває постійну намагніченість. Таким чином, був знайдений новий метод намагнічування, набагато більш ефективний, простий і зручний, ніж попередні. Але найголовніше, цим було дано поштовх для створення простого, але дуже цінного пристосування - електромагніту, який використовується в численних наукових і технічних приладах. Перший підковоподібний електромагніт зробив в 1825 р. американець Вільям Стерджен (1783 - 1850); цей електромагніт немало здивував дослідників швидкістю намагнічування і розмагнічування бруска м'якого заліза при включенні або виключенні струму в провіднику, яким був обмотаний брусок. Конструкцію Стерджен поліпшили одночасно і незалежно один від одного в 1831 р. Молль (1785-1838) і американець Джозеф Генрі (1797-1878).
За першою, написаної латинською мовою статтею Ерстеда послідувала друга, написана по-німецьки, яка тим не менш залишилася маловідомою. У ній Ерстед показав взаємність відкритого ним електромагнітного явища. Він підвішував до дроту маленьку батарейку, замикав ланцюг і реєстрував її обертання при наближенні до неї магніту. Те ж саме, незалежно від Ерстеда, виявив і Ампер, якому зазвичай це відкриття і приписується. Ще простіше продемонстрував дію магніту на рухливий елемент струму Деві, наблизивши за порадою Араго полюс магніту до електричної дузі. Стерджен видозмінив досвід Деві і надав своєму експерименту того вигляду, в якому і сьогодні він демонструється на уроках фізики, коли дуга безперервно обертається в магнітному полі.
Але першим фізиком, якому вдалося отримати обертання провідника зі струмом у магнітному полі, був Фарадей. У 1821 р. він сконструював дуже просте пристосування: кінець підвішеного провідника був опущений у резервуар з ртуттю, в який знизу входив злегка виступає над поверхнею ртуті вертикальний магніт. При пропущенні струму через ртуть і провідник останній починав обертатися навколо магніту. Досвід Фарадея, блискуче модифікований Ампером, незліченними способами варіювався потім протягом всього XIX століття. Тут ми вкажемо лише на описане в 1823 р. "колесо Барлоу", тому що воно являє собою різновид електричного мотора, який цілком може служити ще і сьогодні педагогам для навчальних цілей. Це металеве колесо з горизонтальною віссю, край якого занурений у ванну з ртуттю і знаходиться між полюсами підковоподібного залізного магніту. Якщо від осі колеса, до його периферії і далі через ртуть тече струм, колесо обертається.
Правила Ерстеда про відхилення магнітної стрілки і відповідне правило Ампера вказували на те, що відхилення зростає, якщо той же струм пропускати і над магнітною стрілкою і під нею. Це явище, передбачене Лапласом і добре вивчене Ампером, було використано в 1820 р. Іоганном Швейггером (1779-1857) при конструюванні мультиплікатора, який представляв собою прямокутну рамку, обмотану кілька разів проводом, по якому протікав струм. У середині рамки містилася магнітна стрілка. Майже одночасно Авогадро і Мікелотті побудували інший тип мультиплікатора, безсумнівно, набагато менш вдалий, ніж швейггеровскій; опис його опубліковано в 1823 р. Проте в мультиплікаторі Авогадро і Мікелотті було одне нововведення: магнітна стрілка, підвішена на нитці, оберталася над розграфленим сектором, а весь апарат містився під скляним ковпаком.
Спочатку здавалося, що мультиплікатор являє собою гранично чутливий гальванометр, але незабаром виявили, що його можна значно поліпшити. Вже в 1821 р. Ампер сконструював "астатичними апарат", як він його назвав, подібний тому, який застосовував Вассалло Еанді, а ще раніше, в 1797 р., Джон Тремері. Прилад складався з двох паралельних жорстко пов'язаних магнітних стрілок з полюсами, спрямованими в протилежні сторони. Вся система підвішувалася на вістрі, і можна було спостерігати, як вона поверталася при пропущенні електричного струму через паралельний провідник, розташований дуже близько до нижньої стрілкою. Таким способом Ампер довів, що магнітна стрілка, коли вона не схильна до магнітного впливу Землі, розташовується перпендикулярно струму.
Леопольдо Нобілі (1784-1835) прийшла вдала думка поєднувати астатичними апарат Ампера з підвіскою на нитки, як у Авогадро і Мікелотті; таким чином він прийшов до свого відомому астатичними гальванометра, перший опис якого він представив на засіданні Моденської Академії наук 13 травня 1825 Щоб дати уявлення про чутливість цього інструменту, Нобілі зауважує, що, якщо з'єднати кінці дроту гальванометра залізним дротом, досить зігріти один з стиків пальцями, щоб стрілка відхилилася на 90 °.
Гальванометр Нобілі протягом декількох десятиліть залишався самим чутливим вимірювальним приладом у фізичних лабораторіях, і ми вже бачили, яку цінну допомогою він надав Меллона в його дослідженнях. У 1828 р. Ерстед вирішив поліпшити його, застосувавши допоміжний підковоподібний магніт. Ця спроба успіхом не увінчалася, але про неї все ж таки слід згадати як про перший приладі з допоміжним полем.
Ці вимірювальні прилади були значно удосконалені лише в 1837 р. Можливо, Пуйе і сам не знав точно теорії дії свого інструменту, яка була дана в 1840 р. Вільгельмом Вебером (1804-1891). У 1837 р. А. С. Беккерель винайшов "електромагнітні ваги", що набули поширення лише у другій половині століття. Потім з'явилися інші типи: Гельмгольца (1849 р.), Гоген (1853 р.), Кольрауша (1882 р.). Тим часом Поггендорф з 1826 р. ввів метод дзеркального відліку, розвинений потім Гауссом (1832 р.) і застосований в дзеркальному гальванометрі Вебером в 1846 р.
З великим ентузіазмом був прийнятий гальванометр, винайдений в 1886 р. Арсонваля (1851-1940), в якому, як відомо, вимірюваний струм проходить через легку рухливу котушку, вміщену в магнітному полі.