Удивительные открытия
Шрифт:
Повторный брак Ампера, заключенный в 1806 году с некоей Жанной-Франсуазой Потто, оказался крайне неудачным. Во время его второго брака к Амперу не допускались ученики, его письма вскрывали, а самому ему не раз предлагали «убираться, если ему что-то не нравится». Кончилось тем, что Ампер и в самом деле ушел и некоторое время жил в здании Министерства внутренних дел. Кроме того, множество огорчений доставлял ученому и его сын. В течение нескольких лет все это серьезнейшим образом мешало научной работе Ампера.
Однако, преодолевая невзгоды, Ампер продолжал научные исследования в области математики, химии, физики и философии. В 1808 году Наполеон, потрясенный талантом Ампера, назначил его генеральным инспектором университетов, чем тот и занимался всю свою жизнь.
В 1809 году Ампер стал профессором математики Политехнической школы, а в 1814 году был избран членом Академии наук. Произошло это по представлению академиков Лагранжа и Лапласа и благодаря его обширному труду, посвященному дифференциальным уравнениям в частных производных. Удостоившись столь высокой чести, он стал на один уровень с прочими «бессмертными» – Лапласом, Фурье,
Он стал академиком в 39 лет, причем в избрании его работы по магнетизму и электричеству не играли ни малейшей роли – их, по существу, не было. Ампер был избран по секции геометрии за исследования в области математики.
Став академиком, Ампер приступил к исследованиям связи между электричеством и магнетизмом (этот круг явлений ученый называл электродинамикой).
Не оставлял он и занятий химией, и к его достижениям в этой области следует отнести открытие – независимо от Амедео Авогадро (1776–1856) – закона равенства молярных объемов различных газов. Этот закон по праву следует называть законом Авогадро-Ампера.
Кроме того, Ампер сделал первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств.
Но, как мы понимаем, совсем не эти исследования, безусловно, интересные сами по себе, сделали Ампера знаменитым. Настоящим классиком науки он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма, и произошло это, когда режим Наполеона пал и в страну вновь вернулись Бурбоны. Но Ампер словно и не заметил произошедшего, ведь научные эксперименты всегда полностью поглощали его внимание.
11 сентября 1820 года Ампер присутствовал на заседании Академии, где сообщалось об открытии датчанином Эрстедом действия электрического тока на магнитную стрелку. Собственно, так было открыто замечательное свойство электрического тока – создавать магнитное поле. Академик Доминик-Франсуа Араго повторил перед академиками опыты Эрстеда и прокомментировал их.
Араго заявил, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. С таким объяснением согласился и академик Жан-Батист Био (1774–1862). После этого «бессмертные» чинно разошлись по домам.
А Ампер после демонстрации опытов Эрстеда направился к слесарю, чтобы заказать для себя копию приборов, показанных академиком Араго. Ему не терпелось поскорее установить эти приборы дома, в маленькой квартирке на улице Фоссе-де-Сен-Виктор, и все эксперименты проделать своими собственными руками. Пока слесарь выполнял заказ, Ампер соорудил лабораторный стол и пригласил в помощники своего друга химика Огюстена-Жана Френеля (1788–1827).
Небольшой Вольтов столб, замкнутый проводом, стал основным объектом изучения Ампера. Он подносил компас то к проводу, то к столбу и сразу же убеждался, что стрелка изменяет свое направление и рядом с проводом, и рядом с самим столбом. Но стоило цепь разомкнуть – этот эффект полностью пропадал. Следовательно, магнитные явления сопутствуют не всякому электричеству?
Их в то время было два: одно, ответственное за притяжение бумажек и пушинок, называлось статическим электричеством; другим было вольтовское, или гальваническое, электричество, и с его помощью можно было разлагать воду и кислоты (его получали с помощью Вольтовых столбов, изобретенных Алессандро Вольта).
Так вот, магнетизм (то есть физическое явление, при котором материалы оказывают притягивающую или отталкивающую силу на другие материалы на расстоянии) оказался присущим лишь второму электричеству. Он существовал, когда цепь была замкнута, когда по ней от одного полюса Вольтова столба к другому шел ток. Но когда тока в цепи не было, Вольтов столб проявлял все свойства «первого» электричества – скопившиеся на его концах заряды могли притягивать пушинки. Стоило зарядам прийти в движение, когда цепь замкнута, и электричество № 1 тут же превращалось в электричество № 2. И только электричество в движении (гальваническое) давало магнитный эффект.
А раз так, естественно, тут же возникла идея измерить какой-то мерой интенсивность этого движения. И Ампер первым в мире произнес тогда слова «сила тока». Неудивительно, что через много лет единица силы тока была названа именно его именем – ампером .
К следующему заседанию Академии, то есть к 18 сентября 1820 года, некоторые приборы еще не были готовы, но Ампер все же решил выступить и рассказать коллегам-ученым о том, что ему уже стало ясным. В протоколе заседания сохранились следующие слова Ампера:«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».