Науковий подвиг Ньютона електрики

Научный подвиг «Ньютона електрики»

Ян Шнейберг.

Сегодня йдеться про наукові досягнення знаменитого вченого, запровадивши до науки термін «електричний струм», поняття про повернення електричного струму і поза півтора століття передбачив виникнення науки про закономірності процесу управління, зв’язку й організованих системах — кібернетики.

Ньютон електрики

Звездный одну годину на життя Ампера припало на вересні 1820 р., коли він уперше дізнався про відкриття датським фізиком Р. Х. Эрстедом (1819) дії електричного струму на магнітну стрілку і нарешті зайнявся повторенням його дослідів.

Нужно сказати, якби Ампер обмежився лише дослідженнями у сфері математики, то навряд він було б відомим у час. Чи, можливо, і взагалі був би забутим як обдарований математик, якому важко було б прославитися і натомість таких його сучасників, як Лаплас, Фур'є, Коші.

Сообщение про відкриття Эрстеда було зроблено на засіданні французької Академії наук відомим ученим іншому Ампера академіком Д. Ф. Араго. В одному з цих засідань, де був присутній Ампер, Араго повторив досліди Эрстеда. Доти Ампер серйозно не займався дослідженнями у сфері електромагнетизму. Влітку 1820 р. Ампера у Парижі був, і не тільки обізнаний із невеликим мемуаром Эрстеда, а й щось знав про його експериментах.

Если більшість присутніх на засіданні академіків, не займалися вивченням електричних явищ, особливого інтересу на відкриття Эрстеда на виявили, то Ампер буквально був приголомшений цим експериментом. Обдарований від природи незвичайними здібностями, який володів енциклопедичними знаннями у сфері математично-природничої грамотності і завидним почуттям наукового передбачення, Ампер інтуїтивно зрозумів значення цієї відкриття палестинцям не припиняти успіхів у галузі електромагнетизму. Він негайно закинув всі справи і з головою впав у вивчення нового, раніше невідомого явища.

Прежде всього старанно повторив досліди Эрстеда й одразу звернув увагу неточність його висновків, оскільки Эрстед не врахував дії на магнітну стрілку магнітного поля Землі. І через тиждень (усього за тиждень!) Ампер виступає на засіданні Академії наук з доповіддю про свої нові відкриттях у сфері електромагнетизму. Ну, а потім майже поспіль тиждень за тижнем (на регулярних засіданнях Академії) викладає перед найбільшими вченими результати своїх експериментальних і теоретичних досліджень, які згодом були узагальнені у його знаменитій праці по електродинаміки.

Араго зауважив, що дріт із м’якого заліза намагничива. Ампер порадив Араго замінити прямолинейную дріт дротяною спіраллю, при цьому вміщена всередині спіралі металева голка намагничивалась інтенсивніше. Так створили перший соленоид, магнітні властивості якого було аналогічні постійному магніту з цими двома різнойменними полюсами.

Ампер разюче наочно продемонстрував магнітні властивості дроту, зігнутою в кільце, аналогічні «тонкому аркушу» постійного магніту. І кільце, і «листок» мали різнойменні магнітні полюси, що переконливо підтверджувало електричну природу магнетизму.

Соленоид можна подати як сукупність нескінченно малих зімкнутих кругових струмів, перпендикулярних лише до й тією самою лінії, проходять через їх центр тяжкості і має однакове напрям. Ампер стверджує, що «навіть дуже малий замкнутий струм діє будь-який магнітний полюс, як і діятиме малий магніт, поміщений дома струму, має таку ж магнітну вісь». Ампер неодноразово підкреслює, що «єдиною причиною електромагнітних явищ є електрику».

Поразительно, що ніхто до Ампера не прийшов, здавалося, до очевидному висновку: якщо кругової струм аналогічний магніту, те й взаємодія кільцевих провідників із течією має бути аналогічним взаємодії магнітів.

Прежде ніж розглянути роботи Ампера з лінійними струмами, відзначимо, що він вперше увів у науку термін «електричний струм» і поняття про повернення електричного струму. Запропонував він вважати за напрям струму напрям позитивного електрики «від плюси до мінусу» у зовнішній ланцюга. Він зумів сформулювати і ще одну важливу правило — про повернення відхилення магнітної стрілки залежно від напрями струму в провіднику. Це стала відома під назвою «правило плавця» і формулювалось так: «Якщо подумки розміститися людині вздовж провідника із течією те щоб струм проходив напрямку від ніг спостерігача до голови і щоб обличчя його була до магнітної стрілці, то під впливом струму північний полюс магнітної стрілки завжди буде відхилятися вліво».

Следует відзначити, що Ампер був передусім теоретиком і експериментами займався рідко. Однак у цьому випадку він відчув необхідність перевірки на досвіді правильності свої волелюбні ідеї, і саме спорудив кілька оригінальних приладів, які іноді вдаючись по допомогу слюсаря.

Для дослідження лінійних струмів Ампер створив так званий «верстат Ампера» (див. малюнок). З допомогою цього оригінального устрою міг спостерігати зміни розташування рухомого провідника від іншого — нерухомого. Він експериментально довів, що дві «лінійних» струму притягають чи відштовхують одне одного у залежності від цього, мають струми однакове напрям чи різне.

На підставі численних експериментів Ампер сформулював закон взаємодії «лінійних» струмів: «два паралельних і однаково спрямованих струму взаємно притягуються, тоді як паралельних і протилежно направлные явища Ампер запропонував назвати «электрдинамическими» на відміну відомих електростатичних явищ. Пізніше електродинаміка перетворилася на одне з найважливіших розділів фізики.

Исследования Ампера помітно відрізнялися від робіт деяких учених, займалися вивченням явищ електромагнетизму, але ограничивавшихся лише якісними спостереженнями і намагалися з’ясувати механізм цих процесів, а тим паче узагальнити їх.

Ампер ж тільки дав глибокий аналіз які спостерігалися явищ, але, що дуже важливо, зумів теоретично узагальнити результати експериментів і вивести формулу, що дозволить визначити силу взаємодії струмів, зробивши, як одне із біографів, «немеркнуче внесок, що залишилося попри всі часі скарбниці науки».

Подобно Кулону, яким установлено закон взаємодії електричних зарядів, Ампер, спираючись на принципи Ньютона про взаємодії мас, уподібнював цим масам два елемента струму, довільно розміщених у просторі. У цьому Ампер припускав, що взаємодія елементів струму іде за рахунок прямий, що проходить через середини цих елементів, і воно пропорційно довжині елементів струмів і величині самих струмів. Він також встановив, що сила взаємодії між струмами залежить від кутів між елементами струмів і лінією, що з'єднує їх середини. Вимірювання сили взаємодії струмів було надзвичайно важким, бо ніяких вимірювальних приладів немає.

Ампером придумали і виготовлений ряд приладів, з допомогою що їх, володіючи великими математичними знаннями, зумів виконати досить точні виміру сили взаємодії струмів. Пізніше великий Максвелл зазначив ці виміру як надзвичайно оригінальні.

Далеко не всім відомо, що Ампер був однією з піонерів электрометрии. Нині величезну роль дослідженні електротехніки і електрозв’язку грає точність вимірів. Серед перших електровимірювальних приладів був гальванометр. Зазвичай, у літературі створення гальванометра пов’язують з ім'ям німецького фізика професора Йоганна С. Х. Швейггера, що у вересні 1820 р. демонстрував прилад, під назвою їм «мультиплікатором». Прилад був рамку із течією, усередині якої на осі поміщалася магнітна стрілка, отклонявшаяся під час проходження по рамці струму. Ампер тим часом поки лише вивчав досліди Эрстеда.

Ознакомившись з приладом Швейггера, Ампер відразу ж потрапляє зазначив з його неточність — у ньому не враховувалося дію на магнітну стрілку магнітного поля Землі. Для усунення цього впливу Ампер в 1821 р. запропонував «астатическую пару», яка була дві магнітні стрілки, укріплені на загальної мідної осі паралельно одна одній з полюсами, зверненими врізнобіч. Таку пару використовував в мультипликаторе в 1825 р. флорентійський професор Л. Нобілі. Цей прилад став прообразом гальванометра, термін «гальванометр» Ампер вперше вживає у роботах.

Среди електровимірювальних приладів, запропонованих Ама", призначене зміни напрями струму в провідниках. Він також першим став застосовувати підключення токоведущих елементів приладів з допомогою чашок зі ртуттю.

Несмотря потім, що Академія наук не виділяла коштів для проведення експериментальних досліджень, Ампер, нерідко сам що потребує засобах, будував необхідні прилади за свої заощадження. До нашого часу зберігся старовинний столик, зроблений руками Ампера, де вона виконав найголовніші досліди у маленькому кімнатці своїй скромній квартири надворі Фоссе-де-Сен-Виктор.

В Німецькій музеї шедеврів науку й техніки зберігаються оригінальні прилади Ампера, з яких він виробляв досліди взаємодії між полюсами. У ілюстрованому путівнику по музею сказано, що «прилади Ампера належать до драгоценнейших документів музею. Непоказні, покриті сургучем складові дротові контури, висять і обертові в чашечках зі ртуттю, з'єднані з перемикачем струму, вони перебувають у шафі, прикрашеному багатою різьбленням і портретом Ампера».

Выдающимся внеском Ампера в теорію електрики і магнетизму стала його воістину революційна теорія причину магнетизму, основывавшаяся на уявленнях про молекулярних токах. Ампер без вагань відкидає наявність «особливої» електричної і магнітної рідин й запевняє, що «все магнітні явища… зводяться до суто електричним діям. Магнетизм будь-якої частки обумовлений наявністю кругових струмів у цій частинки, а властивості магніту загалом обумовлені електричними струмами, розташованими в площинах, перпендикулярних для її осі». Розроблена Ампером гіпотеза кругових молекулярних струмів стала новим прогресивним кроком на шляху до матеріалістичної трактуванні природи магнітних явищ.

Новая теорія Ампера не відразу отримала визнання навіть таких великих фізиків, як Фарадей і Деві. Після листування Ампера з Фарадеем і Деві їх погляди на теорію Ампера змінилися. Так, Фарадей писав Амперу: «Прогрес електромагнетизму розвивається в такий спосіб, що доводиться безупинно посилатися на Ваша ім'я, й у таких випадках я подумки пишаюся нашими відносинами та його основою». Деві також писав Амперу, що «…його сповнені новизни і винахідливості і заслуговують глибокого уваги з боку філософів всіх країн». Протягом 1824 — 1826 рр.

Ампер працював над своїм капітальним працею «Теорія електричних явищ, виведена лише з досвіду». Ця праця побачив світ в 1826 р. і містив все доповіді вченого протягом 1820 — 1825 рр.

Блестящую за формою і змісту оцінку «Теорії» Ампера дав Максвелл: «експериментальний метод, з якого Ампер встановив закони механічного взаємодії електричних струмів, становить одне з блискучих досягнень науки. Здається, ніби всі ці сукупність теорій та історичного досвіду в усій своїй мощі у його своєму озброєнні вискочив із голови «Ньютона електрики». Форма її завершена, строгість бездоганна… «.

Читателям жур стояв біля витоків електромагнітного телеграфу. У своєму виступі на засіданні Академії наук у жовтні 1820 р. він вперше запропонував використовувати відхилення магнітної стрілки під впливами електричного струму передачі з відривом літер абетки. «Помістивши кожну букву на окремої стрілці, можна влаштувати свого роду телеграф з допомогою одного вольтова стовпа, розташованого далеко від стрілок». Причому особі, яке спостерігало за літерами над стрілками, можна було передавати відомості з усіма подробицями і крізь які завгодно перешкоди. На передавальної станції близько вольтова стовпа «встановити клавіатуру з літерами і виробляти сполуки натисканням клавіш… і це спосіб повідомлення міг би застосовуватися не так важко…».

Как відомо, раніше цілей телеграфування пропонувалося використовувати електростатичні заряди і електрохімічні реакції у судинах з рідиною. Та ідея електромагнітного телеграфу належить безперечно Амперу. Щоправда, Ампер припускав, що з устрою електромагнітного телеграфу знадобиться використовувати стільки дротів і магнітних стрілок, скільки є літер". Але якби він зайнявся пристроєм такого телеграфу, то, при його надзвичайної винахідливості прийшов би до потреби зменшення кількості передавальних дротів і магнітних стрілок, як і зробив у 1832 р. творець першого практично придатного стрелочного електромагнітного телеграфу наш співвітчизник П.Л. Шилінг.

К жалю, Ампер вже було зайнятий дослідженнями електродинамічних взаємодій струмів і магнітів та, крім цього у час його здоров’я серйозно погіршується — нерідко він вимушений був тимчасово припиняти свої дослідження. Але Ампер створив необхідні передумови для конструювання першого практично придатного електромагнітного телеграфу і тим самим вніс свій внесок у практичне застосування електромагнетизму. Електромагнітний телеграф незабаром стало міжнародним засобом зв’язку — першим масовим застосуванням електрики.

Заслуживает уваги серія експериментів Ампера, які, як і писав 1822 р., «показали можливість отримання струмів через вплив». Але він уважно не зайнявся дослідженням цього явища. Тільки після отримання звістки про відкриття Фарадеем в 1831 р. явища електромагнітної індукції Ампер з жалем зазначив, що «тримав у руці» цей фізичний ефект, «не усвідомлюючи цього, у повної мері».

В 1824 р., коли Ампера обрали професором фізики одного із найбільших ВНЗ Франції Колеж де Франс, вирішив присвятити свою педагогічну діяльність лише викладання фізики та залишався в цій посади остаточно своїх днів. Через важких матеріальних обставин продовжував працювати інспектором університету «на половинному окладі».

Мы свідомо не розглядаємо надзвичайно цікаві роботи Ампера у сфері механіки, хімії, біології і оптики, його дивовижне пророцтво у тому, у майбутньому виникне наука про закономірності процесу управлеемах. Він також дав назва цієї науці - кібернетика, що виникла лише півтора століття по тому, як Ампер зазначив їх у розроблених їм таблицях «класифікації наук».

Можно лише уявити, скільки нових відкриттів зробив б цей геніальний учений, якби останні десятиліття свого життя не страждав від нападів важку хворобу серця й легенів і південь від безвременных втрат своїх близьких і дорогих йому батька, матері та дружини. Попри це, він продовжував працюватимете, і протягом багато років не припиняв відряджень. Один із таких червні 1836 р. до Марселя виявилася останньої. 10 червня далеко від рідних місць у яскравий сонячного дня на 62 року життя великий учений помер.

До 1869 р. останки Ампера спочивали в Марселі, та був було перенесено на Монмартское цвинтар на Парижі фамільний склеп. На надгробку Ампера вигравірувана епітафія: «Він був такий ж добра й як і простий, як великий».

Имя вченого було увічнене в 1893 р. міжнародному конгресі електриків у Чікаґо, дав одиниці сили струму назва «ампер». Тепер прізвище геніального вченого знають усі.

Научные заслуги Ампера визнано найбільших наукових установ світу. Він був почесним членом десятків академій і наукових товариств мови у Франції, Америці, Італії, Німеччини, Швейцарії. У 1830 р. він був обраний почесним іноземним членом петербурзької Академії наук. У Америці штаті Нью-Джерсі одне з залізничних станцій отримав назву «Ампер», але в будинку вокзалу було встановлено меморіальний медальйон на вшанування Ампера. Звати його присвоєно промисловому містечку, де була побудований електротехнічний завод однієї з найбільших американських фірм. Садиба біля Парижа Полемье, де багато років жив Ампер, перетворилася на національний музей.

Чрезвычайно урочисто в найбільших країн світу було зазначено століття з дня смерті Ампера. На урочистості на Ліоні запросили делегація Академії наук СРСР, а Москві відбулася ювілейний засідання Академії наук, де з доповідями про внесок Ампера у світову науку виступили найбільші вченіакадеміки нашої країни.

В висновок кілька слів про долю праць Ампера у сфері електромагнетизму й оцінки його справжніх заслуг перед наукою. Як знаємо з історії науки, праці багатьох видатних учених були належно оцінені їх сучасниками. Ампер зайнявся дослідженням явищ електромагнетизму, коли йому було вже більш 45 років. Доти воно з успіхом займався математикою, хімією, ботанікою, оптикою, філософією, продовжував дослідження і після завершення робіт з электромагнетизму, що тривали всього сім років. Тому після смерті Леніна далеко від Парижа в протягом певного часу було опубліковано кілька статей його колег, теми яких або не мали ставлення до електромагнітним явищам.

Исключение становить лише «Похвальний слово» про Ампере. Його автор, близький друг і соратник Ампера Ф. Араго в 1839 р. на засіданні Академії наук віддав належне заслугах вченого у сфері электромагнесо дні народження.

Ампера в 1875 р. було видано частина листування вченого. Але, по-перше, вона дуже короткої, а по-друге, обмаль стосувалася його найкращих робіт по электромагнетизму.

Популяризации праць вченого сприяло рішення Міжнародного конгресу електриків назвати одиницю сили струму «ампером». Після цього, майже на чверть століття публікації про Ампере припинилися. Але наближалося століття з дня видатних досліджень з електродинаміки, перші повідомлення про які Ампер зробив у 1820 р. На той час досягнуто величезних успіхів у сфері електромагнетизму і електрозв’язку, біля яких стояли Ампер і Фарадей. Були перевидані найголовніші праці Ампера по електродинаміки і більше повна листування, і навіть щоденники, що містили цінні думки і ідеї вченого, набагато випередив свій час.

Французская Академія наук і науковотехнічна громадськість Франції організували в 1921 р. наукову конференцію, присвячену пам’яті Ампера. У доповідях учених вперше було дано гідна оцінка праць Ампера із сучасною погляду. Як писала одна з біографів: «То був перший випадок, коли Франція справила виняткову честь своєму великому співвітчизнику».

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.