Электромагнитные поля присутствуют повсеместно в окружающем пространстве. Они возникают, в частности, при работе бытовых приборов — таких как утюги, фены и холодильники — вследствие прохождения электрического тока по проводникам. Однако для функционирования этих устройств необходим источник электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях при помощи генераторов. Даже возможность прочтения этой статьи обеспечена применением электромагнетизма — одного из четырёх фундаментальных взаимодействий, определяющих физические процессы в природе.
Современное понимание и использование электромагнитных явлений стало возможным благодаря труду ряда выдающихся учёных, изучавших природу электричества и магнетизма более двух столетий назад. Одним из ключевых исследователей в этой области был Андре-Мари Ампер. В данной статье рассматриваются его биография, научные открытия и вклад в развитие физики. Спойлер: в соответствии с принципами популяризации науки по Хокингу, в тексте не будет формул.
История до Ампера
В начале XIX века, в период, когда Ампер проводил свои эксперименты, электрические и магнитные явления уже были предметом отдельного научного изучения. Однако связь между ними оставалась неочевидной и практически не рассматривалась.
Упоминания о магнетизме встречаются в исторических источниках ещё в VIII веке до н. э., когда древние греки обнаружили магнетит — природный минерал, обладающий способностью притягивать металлические предметы. Несмотря на отсутствие понимания природы этого явления, магнетит с древности использовался китайскими и европейскими мореплавателями при создании компасов.
В отличие от магнетизма, проявления электричества можно было наблюдать без специальных условий. Уже в VI веке до н. э. Фалес Милетский заметил, что натирание янтаря мехом вызывает притяжение лёгких предметов, а иногда даже приводит к возникновению искры — явление, напоминающее молнию.
В последующие века электрические явления становились объектом всё более детального изучения. Ниже приведены ключевые вехи в истории изучения электричества до начала XIX века:
-
В 1600 году английский врач и учёный Уильям Гилберт опубликовал труд «De Magnete» , в котором были описаны свойства статического электричества и магнитные характеристики Земли. Гилберт впервые предложил научный подход к исследованию этих явлений, хотя и рассматривал их как несвязанные. Он указывал, что электризованные тела, такие как янтарь или стекло, могут притягивать различные материалы, тогда как магнетит воздействует исключительно на железо.
-
В 1661 году философ и естествоиспытатель Роберт Бойль обнаружил, что электризованные объекты притягиваются даже в условиях вакуума. Это свидетельствовало о том, что перенос взаимодействия не зависит от присутствия воздуха. Эксперименты проводились с использованием одного из первых вакуумных насосов, участие в создании которого принимал сам Бойль. Подробнее о насосе .
-
В 1706 году Фрэнсис Хоксби разработал электростатический генератор — первое устройство для получения электричества в лабораторных условиях. Оно представляло собой вращающийся стеклянный шар, натираемый вручную. На протяжении XVIII века конструкция усовершенствовалась, и в 1784 году была построена одна из наиболее мощных моделей того времени — генератор Ван Марума .
-
В 1744 году Эвальд Георг фон Клейст создал первый электрический конденсатор — лейденскую банку , позволявшую аккумулировать заряд, создаваемый электростатическими генераторами.
-
В 1784 году Шарль Кулон с помощью крутильных весов определил количественные закономерности электростатического взаимодействия. Он сформулировал закон, согласно которому сила между заряженными телами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
-
В 1800 году Алессандро Вольта, опираясь на исследования Луиджи Гальвани, сконструировал первую гальваническую батарею. В отличие от предыдущих источников, работавших за счёт трения или атмосферных явлений, вольтова колонна вырабатывала электрический ток в результате химической реакции между различными металлами. Это стало основой для дальнейшего развития электрохимии и практического электричества.
К началу XIX века в научном сообществе уже существовало множество исследований, касающихся как электрических, так и магнитных явлений. Однако между этими двумя областями не проводилось ни теоретической, ни экспериментальной связи. Природа наблюдаемых эффектов объяснялась с позиций теории флюидов — гипотетических жидкостей, якобы ответственных за электричество и магнетизм.
Одним из наиболее влиятельных сторонников этой теории был Франц Эпинус. В 1759 году он опубликовал трактат Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism, где предложил следующее объяснение:
«Есть жидкость, отвечающая за любые магнитные явления — очень тонкая, поэтому она проходит даже через человеческую кожу. Она чем-то напоминает электрическую жидкость, но их не следует путать. Например, части магнитной жидкости также отталкиваются друг от друга. Но при этом она проявляет себя в отношении только некоторых материалов вроде железа».
Попытки объяснить природу электромагнитных явлений при помощи флюидов постепенно подвергались сомнению. Переломным моментом стало открытие, сделанное в 1820 году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Он впервые зафиксировал влияние электрического тока на магнитное поле: поместив магнитную стрелку компаса рядом с проводником, подключённым к источнику напряжения (столбу Вольты), он заметил, что при прохождении тока стрелка отклонялась.
Этот опыт стал убедительным доказательством существования взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Однако требовалась строгая научная интерпретация обнаруженного явления. Именно на этом этапе в развитие теории включился Андре-Мари Ампер — основоположник теоретической электродинамики.
Как Ампер пришел к открытию
Андре-Мари Ампер родился в 1775 году в Лионе в семье зажиточного торговца Жан-Жака Ампера. Его юность пришлась на период так называемой эпохи Просвещения , когда идеи разума, науки и образования получили значительное распространение в европейском обществе.
Жан-Жак Ампер придерживался прогрессивных взглядов и решил не отдавать сына в традиционную религиозную школу. Вместо этого он организовал для него домашнее обучение на основе произведений философов и энциклопедистов — таких как Руссо и Дидро. Это сформировало в юном Ампере интерес к естественным наукам, который с возрастом только усилился.
Политическая нестабильность, охватившая Францию в период Великой французской революции, оказала значительное влияние на судьбу Ампера. В 1789 году его отец был назначен мировым судьёй и поддержал новые порядки. Однако в 1793 году, после прихода к власти якобинцев, его обвинили в симпатиях к старому режиму и казнили. Это трагическое событие оказало глубокое влияние на мировоззрение молодого Андре-Мари.
В 1799 году он получил должность преподавателя математики. Вскоре женился, и в 1800 году у него родился сын, Жан-Жак Ампер, впоследствии ставший известным филологом и академиком.
В 1802 году Андре-Мари Ампер был назначен профессором физики и химии в Центральной школе в Бурк-ан-Бресе. Уже через два года он начал преподавать в престижной Политехнической школе в Париже, основанной Наполеоном. Эта должность позволила ему сосредоточиться на научной работе.
Интересно, что в первые годы своей научной деятельности Ампер не занимался электромагнетизмом. Среди его ранних трудов можно выделить:
-
В 1803 году он опубликовал трактат «Соображения по математической теории игр» , который получил высокую оценку среди специалистов.
-
В 1811 году, независимо от Амедео Авогадро, он выдвинул гипотезу о том, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул». Этот принцип впоследствии стал известен как гипотеза Авогадро—Ампера .
К 1820 году Андре-Мари Ампер описал дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных, получившее впоследствии название уравнение Монжа — Ампера .
За вклад в различные области науки Ампер был избран членом Французской академии наук. Однако его фундаментальные исследования в области электромагнетизма начались после ряда событий, произошедших в 1820 году.
В этом году датский физик Ханс Кристиан Эрстед продемонстрировал воздействие электрического тока на магнитную стрелку. Результаты были изложены в его работе «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку» .
Спустя месяц эксперименты Эрстеда были воспроизведены Огюстом де ла Ривом в Женеве, на публичной демонстрации. Среди присутствующих оказался Франсуа Араго — физик, астроном и близкий друг Ампера. Вернувшись в Париж, Араго представил опыты Эрстеда на заседании Академии наук. Вступительное слово Араго включало следующую оценку:
«Дамы и господа! Профессор Эрстед сделал невероятное, удивительное открытие. <...> По моему мнению, это событие перевернет науку, и мы сейчас даже не в состоянии оценить масштаб этих событий».
Ампер, ознакомившись с результатами, принял решение повторить эксперимент. В ходе проверок он убедился, что статическое электричество не оказывает воздействия на магнитную стрелку, тогда как постоянный электрический ток приводит к её отклонению. Следовательно, ключевым фактором оказалось именно движение электрических зарядов.
Для более точного анализа Ампер изменил условия эксперимента: вместо подвижной магнитной стрелки он использовал вращающийся проводник с током, находящийся вблизи постоянного магнита. Он зафиксировал, что наблюдаемый эффект аналогичен, но с противоположной динамикой.
Для проверки гипотезы о взаимодействии токов Ампер провёл следующий эксперимент. Он заменил магнит на второй проводник с током и изолировал установку от внешнего влияния, поместив её в стеклянную колбу. На схеме ниже контур ECDF представляет собой подвижную рамку, вращающуюся вокруг оси OZ, а AB — неподвижный проводник. В обоих проводниках протекал ток от независимых источников.
В ходе опыта Ампер зафиксировал: при совпадении направлений токов рамка испытывала отталкивание, при противоположных — притяжение. Это стало первым экспериментальным подтверждением того, что между токами существует механическое взаимодействие, аналогичное взаимодействию магнитных полей.
Также он установил, что магнитное поле создаётся вдоль всей длины проводника. Это было подтверждено с помощью магнитной стрелки, размещённой вдоль проводника, ориентация которой соответствовала линиям индукции, напоминающим концентрические окружности.
Уже 18 сентября 1820 года Ампер представил результаты своих экспериментов на заседании Академии наук, подробно описав методику и выводы. Он завершил доклад заявлением: «Так что любые проявления магнетизма я свожу исключительно к протеканию электрического тока». Из этого следовало, что постоянный магнит — лишь частный случай, а фундаментальной причиной является движение электрических зарядов.
Один из присутствующих задал вопрос, касающийся различий между экспериментами Ампера и Эрстеда: «Если ток влияет на магнит, логично, что два тока должны влиять друг на друга. Разве это не очевидно?». Франсуа Араго ответил:
«Видите два ключа у меня в руке? Каждый из них тоже оказывает действие на магнитную стрелку. Но друг на друга они не влияют, не находите?»
Развивая свою теорию, Ампер выдвинул идею свертывания проводника в спираль, предполагая, что создаваемое поле в таком случае будет усиливаться, формируя чётко выраженные магнитные полюса. Так была разработана концепция соленоида.
В дальнейшем он провёл эксперимент, в котором проводник с током использовался в качестве чувствительного элемента по отношению к магнитному полю Земли, чтобы подтвердить предположение о наличии взаимодействия между током и внешним магнитным полем.
После завершения экспериментов Ампер провел количественные измерения, обобщил полученные данные и сформулировал следующие положения:
-
При прохождении электрического тока через два параллельных проводника между ними возникает сила взаимодействия. Эта сила прямо пропорциональна величине токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
-
Направление создаваемого током магнитного поля можно определить по правилу правой руки: если направить большой палец вдоль проводника в сторону тока, то остальные пальцы укажут направление линий магнитного поля.
-
Токи, протекающие по виткам проводника, создают магнитные поля, которые суммируются в соответствии с принципом суперпозиции, усиливая общее магнитное поле.
Уже 25 сентября 1820 года, спустя всего неделю после предыдущего выступления, Ампер представил результаты новых опытов с соленоидами. Таким образом, все ключевые наблюдения были сделаны в течение двух недель.
В последующие семь лет Ампер продолжил исследования, сосредоточившись на развитии теоретических основ электродинамики. В 1822 году он впервые сформулировал гипотезу , согласно которой постоянные магниты состоят из большого числа элементарных токовых контуров, вызывающих магнитные свойства вещества. Это объяснение, аналогичное эффекту соленоида, фактически описывало поведение магнитных диполей.
В 1826 году Ампер изложил теорему о циркуляции магнитного поля , согласно которой циркуляция магнитного поля постоянных токов по замкнутому контуру пропорциональна алгебраической сумме токов, проходящих сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.
В 1827 году была опубликована фундаментальная работа Ампера: «Мемуары о математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенных из опыта» . В ней были систематизированы основные теоретические положения, основанные на опытах, и впервые введено понятие «электродинамика» как обозначение нового направления физики.
Наследие Ампера
После публикации мемуаров Ампер прекратил активные исследования в области электромагнетизма и сосредоточился на преподавательской и научно-организационной деятельности. Он получил должность профессора физики в Коллеж де Франс — одном из старейших учебных заведений Франции, где преподавал вплоть до выхода на пенсию в 1834 году.
Ампер скончался 10 июня 1836 года в Марселе от пневмонии в возрасте 61 года. При жизни он стал свидетелем нескольких ключевых открытий в области электромагнетизма, в том числе:
-
В 1820 году Жан-Батист Био и Феликс Савар, опираясь на эксперименты с токами и магнитными эффектами, совместно с Пьером-Симоном Лапласом вывели формулу, определяющую магнитную индукцию тока. Этот результат лег в основу закона Био — Савара — Лапласа , ставшего аналогом закона Кулона в электростатике.
-
В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — образование электродвижущей силы в проводнике при изменении магнитного потока. Это открытие стало основой для создания первых электрогенераторов.
Однако наибольшее значение для теории электродинамики имело развитие, наступившее спустя три десятилетия после смерти Ампера. В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал труд «Динамическая теория электромагнитного поля» . Обобщив данные, полученные Ампером, Био, Саваром, Фарадеем, а также теоретические разработки Вебера и Гаусса, Максвелл сформулировал концепцию электромагнитного поля и описал её с помощью системы уравнений . Эти уравнения позволили вывести практически все ранее известные законы электромагнетизма как частные случаи.
Труды Максвелла оказали определяющее влияние на развитие физики XIX и XX веков, став основой для исследований таких ученых, как Генрих Герц, Хендрик Лоренц, Альберт Эйнштейн и многих других.
В память об Андре-Мари Ампере на Международной электротехнической выставке 1881 года было предложено назвать единицу силы тока его именем. В 1893 году это предложение было утверждено: 1 ампер определялся как ток, при котором за одну секунду из раствора нитрата серебра выделяется 0,0001118 грамма серебра. Однако с 2019 года определение ампера было изменено в соответствии с новой системой единиц СИ.
Значение вклада Ампера в развитие науки трудно переоценить. Его роль в формировании электродинамики высоко оценивалась современниками и последующими поколениями ученых. Особо выразительно это отметил Джеймс Клерк Максвелл:
«Экспериментальное исследование, посредством которого Ампер установил закон взаимодействия электрических токов, представляет собой одно из самых блестящих достижений науки. Вся теория и эксперимент словно выскочили из мозга „Ньютона электричества“. Его работа совершенна по форме, безупречна по точности и выражена в формуле, из которой можно вывести все явления и которая всегда должна оставаться основной формулой электродинамики».