8. К истории открытия магнитного взаимодействия

Со времен Древней Греции, вплоть до 1820 г. считалось, что электрические и магнитные явления имеют различную природу. Ряд ученых, среди которых центральное место занимает русский академик Ф. У. Т. Эпинус, высказывал гипотезу о существовании тесной связи между электричеством и магнетизмом. Однако не было прямых доказательств существования такой связи.

Успех выпал на долю датского физика Ганса Христиана Эрстеда (1777-1851). Эрстед родился в Лангеланде. Свою деятельность он начал с изучения фармацевтики в аптеке отца. В 1794 г. Эрстед поступил в Копенгагенский университет, а в 1799 г. стал адьюнктом по кафедре фармацевтики на медицинском факультете. Далее он увлекается физикой и философией. С 1806 г. Эрстед становится профессором физики, устанавливает связи с учеными Франции, Германии, Голландии и Англии, читает лекции, много экспериментирует. Его привлекают проблемы большого масштаба. В 1813 г. Эрстед публикует работу "Исследование тождества электрических и химических сил", где он доказывает, что "теплота и свет являются результатом электрического конфликта". Об интуитивном предчувствии связи между электричеством и магнетизмом говорят строки из его книги "Воззрения на химические законы природы" изданной в Берлине в 1812 г. и получившей широкую известность. "Следовало бы выяснить на опыте, - писал Эрстед, - действительно ли электричество в своем наиболее скрытом состоянии не оказывает никакого влияния на магнит как таковой". Не случайно успех пришел к. тому, кто наиболее упорно искал. Результаты знаменитого опыта были сообщены ученому миру 21 июля 1820 г. в небольшом мемуаре "Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку".

На первой странице исторического мемуара Эрстед пишет; "Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут".

Эрстед считает, что "конфликт" происходит не только внутри проводника, но "имеет довольно обширную сферу активности вокруг него". "Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки", - пишет он и дает результату опыта следующее объяснение: "Отрицательная электрическая сила, или материя, описывает спираль слева направо и действует на северный полюс, не влияя на южный. Действие на южный полюс объясняется подобным же образом, если допустить, что положительная электрическая материя движется в противоположном направлении и обладает свойством действовать на южный полюс, не влияя на северный". В этом фантастическом объяснении выражена концепция близкодействия. Материя не действует там, где ее нет. Стрелка может поворачиваться только под действием электрической жидкости, вырывающейся из проводника. Мысль ученого является непосредственным, наивным выражением фактов.

Сообщение Эрстеда вызвало сенсацию. Всякий, кто умел сделать гальванический элемент и буссоль, заставлял магнитную стрелку двигаться под действием тока. Новые открытия вскоре посыпались, как из рога изобилия. Независимо друг от друга Араго, Гей-Люссак и Зеебек открывают возможность намагничивания электрическим током. Араго показывает, что проводники с током подобно магнитам притягивают железные опилки. При этом открывается важный факт, что магнитное действие тока значительно усиливается, если проводник свертывается в спираль. Этим воспользовались И. Швейгер и И. Поггендорф для устройства первого измерительного электромагнитного прибора - мультипликатора, появившегося в этом же 1820 г.

Сам Эрстед устанавливает факт взаимного действия тока и магнита. Закрепив магнит и освободив провод с током, он показывает, что магнит отклоняет проводник с током. Вслед за этим Фарадей открывает возможность непрерывного вращения магнита вокруг тока.

В 1820 г. Био (1774-1862) и Савар (1791-1841) представили Парижской академии мемуар, "предметом которого было определение путем точных измерений физических законов, согласно которым металлическая проволока, соединяющая два полюса вольтаического аппарата, действует на тело магнита".

Открытие Эрстеда привлекло внимание гениального французского ученого Андре Мари Ампера (1775-1836).

Ампер родился в Лионе, в семье высококультурного коммерсанта. Уже в раннем возрасте он обнаружил феноменальные способности. В 12 лет он владел, дифференциальным исчислением, к 18 годам прочитал основные работы Лагранжа, Эйлера, Д. Бернулли, основательно проштудировал все 20 томов знаменитого энциклопедического словаря Даламбера и Дидро, овладел латынью, греческим и итальянским языками. Его больше всего влечет математика. В 1802 г. Ампер опубликовал исследование по теории вероятности "Опыт математической теории игры". Работа эта обратила внимание секретаря Парижской академии Делямбра, и молодого ученого пригласили сначала в лионский лицей, а в 1807 г. предложили место профессора в знаменитой парижской политехнической школе. Здесь Ампер читал лекции по дифференциальному и интегральному исчислению, а в 1809 г. был назначен на должность профессора анализа. В 1814 г. Ампер был избран членом Парижской академии наук на место скончавшегося Лагранжа.

Ампер был поразительно разносторонен. Он занимается философией и обогащает ее оригинальными мыслями, публикует исследование о преломлении света и открывает независимо от Авогадро известный химический закон, дает первую в истории науки классификацию химических элементов. Он серьезно занимался сравнительной зоологией и отстаивал мысль об эволюции биологических видов.

Опыт Эрстеда отвлек Ампера от математики, так же как Фарадея от химии. Оба гения одновременно обратили всю мощь своего интеллекта в область электромагнетизма. Получив известие об опыте Эрстеда, Ампер начал экспериментировать. Уже через неделю он получил, новые результаты, а в конце 1820 г. почти на каждом из еженедельных заседаний Парижской академии наук докладывал о новых открытиях.

Ампер сформулировал правило для определения направления магнитного действия тока и ввел принятую физикой условность: за направление тока принимать направление движения положительного электричества. Он установил на опыте эквивалентность соленоида и постоянного магнита (кстати, термин "соленоид" принадлежит Амперу). Он показал, что рамка с током устанавливается под действием магнетизма Земли перпендикулярно направлению магнитной стрелки. Совместно с Араго он произвел опыт по намагничиванию стального стержня, помещенного в соленоид.

В начале октября 1820 г. Ампер сообщил о своем важнейшем открытии: притяжении и отталкивании параллельных токов. Ученый подверг анализу два факта: первый - взаимодействие электрических токов, второй - эквивалентность сил, действующих на магнитную стрелку и на рамку с током. Земной магнетизм одинаково воздействует на постоянный магнит и на ток. Отсюда дерзкая мысль о том, что он обусловлен циркуляцией электрических токов. Магнетизм Земли, утверждает Ампер, следует приписать не жидкости или намагниченному ядру, а электрическим токам. Земля - гигантский соленоид. Непрерывно циркулирующие токи возбуждают наблюдаемые магнитные действия. Отсюда еще более дерзкая мысль.

"Если электрические токи являются причиной направляющего действия Земли, то электрические токи будут также причиной направляющего действия одного магнита на другой. Следовательно, надлежит рассматривать магнит как собрание электрических токов, проходящих в плоскостях, перпендикулярных к его оси и направленных таким образом, что южный полюс магнита, которым он обращается к северу, находится справа от этих токов".

Какова же природа электрических токов, обусловливающих магнетизм? На этот вопрос Ампер отвечает впервые в 1821 г. в письме к голландскому физику Фан-Беку. Описав опыт с взаимодействием двух круговых токов, Ампер рассказывает: "Когда этот опыт был сделан, я вывел из него заключение, что электрические токи, присутствие которых вокруг каждой частицы магнита я уже предполагал, существуют вокруг этих частиц в железе, никеле и кобальте уже до намагничивания. Будучи, однако, направлены во всевозможные стороны, они не могут вызвать никакого результирующего внешнего действия, так как одни из них стремятся притянуть то, что другие отталкивают, подобно тому, как свет, различные лучи которого поляризованы во всех направлениях, не обнаруживают никаких признаков поляризации".

Так появилась в физике гипотеза молекулярных токов - один из самых поразительных научных прогнозов. Ее плодотворность была одной из самых обильных. Сам Ампер сразу же открывает путь к важной истине: "Если эта точка зрения правильна, то можно надеяться возбудить до некоторой степени магнетизм в тех телах, которые до сих пор, казалось, не могут быть намагничены". Вскоре Фарадей блестяще подтвердил этот прогноз. Он доказал, что в большей или меньшей степени намагничиваются все вещества, установил деление веществ на ферро-, диа- и пара-магнетики.