Ампер. Классическая электродинамика

ГЛАВА 5 Электродинамическое пари

В 1820 году Эрстед провел опыт, ознаменовавший революцию в физике XIX века. Следующие десять лет были невероятно продуктивными в сфере изучения электромагнетизма и электродинамики. Ампер погрузился в работу над формулировкой математического закона, который связал бы движение зарядов и магнетизм. Хотя ему понадобилось всего несколько месяцев, чтобы понять основные принципы этой связи, на завершение работы, ставшей итогом всех его исследований, потребовались годы.

С сентября 1820 года Ампер развил бурное научное творчество. Историкам потребуется много сил и времени, чтобы установить хронологию его открытий, учитывая тот факт, что ученый не вел лабораторного журнала. Рукописи Ампера, его сообщения для Академии наук и статьи этого периода изобилуют чертежами лабораторного оборудования. Сегодня нам известна программа его исследований при разработке теории электродинамики, особенно в период между 1820 и 1821 годом. Ученый всегда был удивительно настойчив — и в юные годы, и в качестве преподавателя, и в своих работах по классификации, и в личной жизни. Сейчас он поставил перед собой новую цель, заключил свое «электродинамическое пари»: Ампер хотел доказать справедливость своей теории. В этой главе рассказывается о его опытах и открытиях, к которым они привели.

18 сентября 1820 года — в день, когда Ампер представил свою первую работу по электродинамике, — он также заявил, что скоро поставит опыт, который подтвердит его гипотезу об электрическом происхождении магнетизма. Спустя неделю,

25 сентября 1820 года, это и произошло на очередном заседании Академии наук. Сам Ампер видел в своем опыте неопровержимое доказательство того, что в основе магнетизма лежат молекулярные токи, то есть движущиеся электрические заряды. Он сконструировал устройство, в котором электрический ток проходил по двум закрученным в форме спирали проводникам (см. рисунок 1). Проводники притягивались или отталкивались в зависимости от направления, в котором протекал ток. Таким образом ученый доказал, что проводники ведут себя как магниты, со всеми вытекающими отсюда последствиями: один конец спирали выступал в качестве северного полюса, а второй — в качестве южного. Этот опыт не был оценен по достоинству, хотя, в отличие от опыта Эрстеда, в эксперименте Ампера не требовалось использование магнитов. Роль магнита в нем исполнял другой проводник, и это доказывало, что электрические токи превращают проводники, закрученные в форме спирали, во временные магниты.

РИС. 1

Устройство, представленное Ампером для подтверждения гипотезы об электродинамическом происхождении магнетизма. Проводники в форме спирали А и В притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления пропускаемого через них электрического тока. «Сообщение относительно действий электрических токов», 1820.

Аналогия между круговым током и магнитом становится особенно явной в случае соленоида — термин также придуман Ампером. Соленоид (см. рисунок 2 на следующей странице) представляет собой проводник, закрученный в спираль. Идея Ампера была достаточно своеобразной, поскольку позволяла использовать бесконечное количество параллельных спиралей, то есть множество круговых наложенных друг на друга токов, создавая таким образом модель амперовских микроскопических токов и значительно увеличивая магнитный эффект. Кроме этого, в приборе был стержень, действующий как магнит и имеющий северный и южный полюса (см. рисунок 3 на следующей странице).

РИС. 2

Соленоид — это спирально закрученный проводник.

РИС.З

Продольный разрез соленоида позволяет увидеть, как электрический ток выходит через верхнюю часть (точки) и входит через нижнюю часть (кресты). Магнитное поле направлено вправо, оно однородно внутри и расходится снаружи.

Ампер разработал и применил большое количество экспериментальных устройств, чтобы доказать, что проводники при пропускании через них электрического тока отталкиваются или притягиваются. Важнейший опыт, приведший к одному из самых известных открытий Ампера, касается взаимодействия параллельных проводников. С самого начала своих исследований ученый утверждал, что два проводника притягиваются, если направление пропускаемых через них токов одинаково, и отталкиваются, если направление этих токов является противоположным. Спустя несколько недель после того, как Араго повторил опыт Эрстеда, 9 октября 1820 года, Ампер представил Академии наук эксперимент, изображенный на рисунке 4 на следующей странице, подтверждающий его теорию, согласно которой сила, возникающая между двумя проводниками, имеет электродинамическое происхождение. Однако часть зрителей, присутствовавших при опыте, продолжала считать, что этот эффект связан с обычным электрическим взаимодействием.

РИС. 4

На подвижный проводник СО влияет неподвижный проводник АВ, который является частью конструкции CDFE, вращающейся на оси ХУ. Отдельная часть EF укреплена на Х и У, на небольших емкостях, заполненных ртутью, позволяющих электрическому току циркулировать по ХCDY вне зависимости от наклона конструкции. Противовес GH позволяет приподнять центр тяжести достаточным образом для того, чтобы получить измеряемые углы, хотя силы, влияющие на СО, невелики.

После открытия Эрстеда Био и Ампер разработали план исследований. Ученые основывались на разных принципах, но объединяла их общая цель: найти математическое отношение между электрическим током, пропускаемым через проводник, и магнитным полем, которое он производит. Подход Био отличался от подхода Ампера тем, что первый использовал элементарные магниты. Био полагал, что проводник состоит из множества маленьких магнитов, и хотел рассчитать силу, производимую всеми ими в совокупности. Над разработкой математического закона Био работал вместе со своим коллегой по Коллеж де Франс французским физиком Феликсом Саваром (1791-1841). Коллеги разработали метод измерения силы, оказываемой проводником на магнит. Они опирались на опыты Кулона, в которых измерялось колебание магнитной стрелки. В конце октября 1820 года Био заявил Академии наук, что сила воздействия проводника на магнит обратно пропорциональна расстоянию между ними. Свой математический закон он обнародовал в декабре.

Био стремился сформулировать математический закон, описывающий магнитное поле, создаваемое прямолинейным проводником NH в точке М, где находится магнитная стрелка (см. рисунок 5). На рисунке Био проводник NH разрезан на микроскопические поперечные витки (см. рисунок 6). Каждый из них испытывает временное намагничивание своих молекул, которые образуют магнитные стрелки ab, а'b' и так далее.

Био объявил Академии наук о полученных результатах 30 октября: сила воздействия, оказываемого проводником бесконечной длины на полюс магнита, обратно пропорциональна расстоянию МН, отделяющему магнит от проводника. Дополнения, внесенные Лапласом, позволили установить, что один виток катушки N оказывает воздействие, пропорциональное

sincω/r²

РИС. 5

Стрелка показывает направление электрического тока, проходящего через проводник NH. Био попытался обнаружить магнитное действие этого проводника на магнит, расположенный в точке М.

РИС. 6

Схематическое изображение магнитных витков Био.

Это и есть математический закон, представленный Био Академии наук 18 декабря. Очевидно, что закон обратных квадратов очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона и закон электростатического взаимодействия Кулона. Однако между ними есть существенная разница: сила, производимая одним витком катушки N на М, направлена не по линии NM, а перпендикулярно прямой, соединяющей две точки. Современное математическое выражение закона Био — Савара, также называемого законом Лапласа, имеет вид

dB = μ₀/4∙(I∙ds∙sinω)/r².

Это уравнение является современной версией закона Био — Савара, поскольку в него добавлено магнитное поле В. dB означает дифференциальный элемент магнитного поля, то есть эффект, оказываемый одним витком проводника (дифференциальная поверхность ds). через который проходит электрический ток I, на магнит, расположенный в точке на расстоянии r, а линия от магнита до дифференциального элемента образует угол со с проводником. Общий эффект равен суммарному значению всех дифференциальных элементов dB, то есть это выражение необходимо проинтегрировать. Ампер не переставал считать исходную гипотезу Био о том, что проводник является магнитом, произвольным допущением. Однако и Био считал необоснованным предположение Ампера о том, что молекулярные токи создают магниты. На самом деле формулу Био и идею Ампера объединяет общее положение: если заменить воздействие магнита на электрический ток, то можно наблюдать притягивание между двумя параллельными проводниками, представленными в опыте Ампера. Закон электродинамики Ампера позволяет нам понять эту связь с законом Био — Савара, несмотря на различие исходных гипотез.

Учитывая блестящую репутацию Ампера в области математики, становится ясным, что он не удовольствовался своей догадкой по поводу электродинамического происхождения магнетизма. В его понимании задача ученого состояла в том, чтобы открыть общий закон, связывающий разные, на первый взгляд, явления. Ампер многие месяцы искал этот закон и долгие годы готовил публикацию окончательных результатов, которая состоялась в 1826 году и стала итогом его исследований. Эта работа чрезвычайно сложная, но мы считаем необходимым сделать краткий обзор изложенных в ней идей.

Если Био разделял проводник на бесконечно маленькие витки, каждый из которых представлял собой магнит, то Ампер использовал бесконечно малую длину dl, которая представляла собой электрический ток. Он пытался обнаружить взаимодействие между двумя элементами бесконечно малого тока, а не между током и магнитом. Представим, что в точках

Имя Ампера, выгравированное на Эйфелевой башне рядом с именем Лавуазье.

Андре-Мари Ампер (слева) и Франсуа Араго повторили 11 сентября 1820 года опыт датского физика Ханса Кристиана Эрстеда. Араго держит два проводника около стрелки компаса и наблюдает появившееся отклонение. Ампер заключает, что в основе магнетизма лежит электричество.

А и В находятся два бесконечно малых элемента тока, которые образуют угол α и β с линией, связывающей эти точки. Если мы расположим элементы тока в плоскостях P и Q, угол между двумя плоскостями будет γ (см. рисунок).

Ток из точки А проходит через плоскость Р, тогда как ток из точки В проходит через плоскость Q.

Отсюда Ампер, как и Био, вывел закон квадрата, обратного расстоянию, который гласит, что взаимодействие dF между двумя элементами тока, расположенными так, как изображено на рисунке, равно

dF = (g • h • (sinα • sinp • sinβ + k • cosα • cosβ))/r²

где g и h зависят «от количества электричества, прошедшего за равные промежутки времени» (мы видим перед собой определение силы тока). Следующим шагом стал расчет постоянной k и точное определение g и А, но Ампер не смог установить, о каких переменных идет речь. Сопутствующий постоянной k фактор предполагает в выражении Ампера взаимодействие между токами, протекающими параллельно. Поначалу он считал, что должно быть k = 0. Ученый полагал, что элементы тока, находящиеся на одной линии, никак не взаимодействуют между собой. Определив эти параметры, можно было рассчитать общую силу, равную сумме всех сил dF — дифференциальных элементов силы, — которую производит элемент тока. Заметим, что в этом выражении содержится анахронизм, поскольку Ампер не использовал выражение dF, хотя его уравнение, несомненно, отсылало к дифференциалу. Он представил эту формулу в Академии наук 4 декабря 1820 года, через три месяца после заявления Араго.

Порядок, в котором мы открываем различные факты, не имеет ничего общего с их существованием в природе.

Андре-Мари Ампер

Предположение Ампера было встречено прохладно. С одной стороны, спешка, с которой он представлял свои сообщения, вызывала подозрения; с другой стороны, ученым трудно было повторить его опыты, а некоторые его коллеги полагали лишним использование бесконечно малых элементов тока.

Но особый скепсис вызвала гипотеза Ампера о существовании электрических токов в магнитах. Из-за проблем со здоровьем в январе 1821 года исследователь вынужден был надолго прервать свою работу. Фарадей оценил опыты Ампера и оригинальность его теории, однако и он высказывал сомнения по поводу существования токов, которые не были обнаружены опытным путем. Именно открытие Фарадея, состоявшееся осенью 1821 года, дало новый импульс исследованиям Ампера.

Британский ученый открыл вращение магнита вокруг проводника с током и наоборот. Помня о своих идеях, в которых обосновывалось электрическое происхождение магнетизма, Ампер заменил магнит на соленоид и воспроизвел опыт Фарадея, используя только электричество. Ученый полагал, что новые открытия сокрушат идеи Био.

Начиная с 1822 года Ампер начал разработку новой экспериментальной методологии, которая привела его к окончательной

формулировке математического закона. Ученый предложил то, что впоследствии было названо нулевым методом, — использование для измерений прибора с центром в равновесии. Ампер хотел сконструировать устройство, в котором два контура, по которым проходит один и тот же ток, воздействовали бы одновременно на подвижный проводник таким образом, чтобы производимое ими воздействие взаимно компенсировалось, обнулялось (см. рисунок 7). Речь вновь шла об астатичной системе, в которой Ампер устранил бы воздействие земного магнетизма. Также ученый ввел в свои измерения недавно открытый метод колебания Фарадея. С марта по июнь 1822 года Ампер занимался сложными математическими расчетами и в итоге пришел к двум выводам:

— сила, действующая на элемент тока, направлена перпендикулярно этому элементу;

— коэффициент k имеет не нулевое значение, k = ½.

РИС. 7

Легендарный прибор Ампера, который позволил ученому рассчитать значение к. «Опыты, относящиеся к двум новым явлениям электродинамики». «Анналы химии и физики», 1822 год.

В сентябре 1822 года Ампер отправился в Женеву, где собирался провести совместные опыты с франко-швейцарским физиком Огюстом де ла Ривом (1801-1873), сыном уже упоминавшегося Шарля Гаспара. В результате он поставил один из самых знаменитых своих опытов. Как мы уже говорили, если k отличается от нуля, то это значит, что в математическом выражении должен быть фактор, выражающий взаимодействие между параллельными (или колинеарными) элементами тока. Это открытие стало сюрпризом для самого Ампера. Эффект еще сильнее проявился во время опыта с использованием оригинальной установки, который получил название опыта с подвижным проводником (см. рисунок 8). Проводник srqpnm состоит из двух параллельных секций srq и tmp, концы которых соединены третьим проводником, pq. Параллельные секции плавают в емкости со ртутью, которая разделена на две части с помощью изолятора AC. Проводник полностью закрыт изолятором из шелка, кроме концов s и m. Ток посылается из борна Е, проходит через s в ртути и направляется к голому борну r, проходит через весь проводник и достигает второго голого борна n, снова проходит через ртуть, проходит через m и снова возвращается к источнику электрического напряжения. Ампер и де ла Рив заметили, что каким бы ни было направление тока, как только цепь подключалась к батарее, вилка начинала питаться от ртути и отталкивалась от борнов. Ампер сразу же связал это явление с отталкиванием между парами элементов тока, один из которых находится в ртути, а другой — в одной из параллельных секций. За три месяца до этого эксперимента он предсказал существование коллинеарных сил, что имело невероятные последствия для теории электродинамики. Также Ампер установил центральную позицию сил, что вызвало особое восхищение во французском научном сообществе как следствие третьего закона Ньютона. Гипотеза электродинамического происхождения этих сил получила новое подтверждение.

РИС. 8

Опыт с подвижным проводником, осуществленный Ампером вместе с де ла Ривом в 1822 году.

Опыты позволили Амперу определить факторы g и h как силу элементарных токов. Таким образом, окончательная формула позволяет вычислить взаимодействие между двумя элементами тока ds и ds'.

i • i' • ds • ds' • (sinα • sinβ • sinγ - 1/2 • cosα • cosβ)/r2

Ампера полностью поддержали Феликс Савари (1797— 1841) и Жан Фирман де Монферран (1795-1844), молодые многообещающие ученые, которые в 1823 году выпустили книгу под названием «Учебник по электродинамике». Савари был учеником Ампера и вывел закон Био — Савара через математическую формулу элементов тока Ампера. Ампер настолько обрадовался работам Савари и де Монферрана, что написал: все явления, которые до сих пор не имели удовлетворительного объяснения, можно объяснить с помощью его формулы. Ученый начал использовать свое уравнение для контуров электрического тока любой конфигурации.

Также он ввел в обиход очень важный математический прием — линию, называемую направляющей. Рассмотрим взаимодействие между одним элементом тока и замкнутой цепью. В каждой пространственной точке направляющая принимает определенное направление, которое зависит только от замкнутой цепи. Ампер доказал, что сила, оказываемая на элемент тока ds', расположенный в определенной точке, всегда перпендикулярна направляющей в той же точке. Эта сила перпендикулярна и самому элементу тока и лежит в плоскости, определяемой элементом тока и направляющей. Наконец, помня, что элемент тока и направляющая образуют угол ε, Ампер упростил взаимодействие между элементом тока и замкнутой цепью до вида

1/2D • i • i' • ds' • sinε,

где D зависит только от формы замкнутой цепи и точки, в которой находится элемент тока. Отсюда возможно вывести закон, известный во Франции как второй закон Лапласа, или закон силы Лапласа, а в российской традиции — как сила Ампера:

dF = i' • ds' • B • sin ε.

Иными словами, фактор 1/2D • i приравнивается к В. Ампер не смог прийти к этому заключению только потому, что в его время еще не использовалось понятие магнитного поля, которое и есть В. Не существовало тогда и векторного исчисления — столь полезного инструмента наших дней. Таким образом, результат ds' • B • sinε, является модулем (цифровое значение) векторного произведения векторов элементов тока и магнитного поля:

_{→ →}

ds'ɅB.

В результате получаем вектор, по-прежнему перпендикулярный двум векторам, участвующим в решении. Следовательно, выражение силы Ампера принимает вид

_{→ → →}

dF = i' • ds'ɅB.

и должно быть проинтегрировано для разных форм, принимаемых общим числом элементов тока. Типичным случаем является прямолинейный продольный проводник L, через который проходит ток I. Когда он подвергается воздействию магнитного поля В, на проводник действует сила

_{→ →}

F = I• l' • ɅB.

После зимы 1823/1824 годов Ампер вновь зашел в тупик в своих исследованиях из-за проблем в личной жизни и преподавании. Он вернулся к электродинамике в августе 1825 года, стремясь закончить свою работу.

Иногда операции, описанные в текстах Ампера, трудно представить без векторов и других величин, связанных с пространственным положением и направлением. Интересные результаты может дать использование правой и левой руки. Рассмотрим оба случая.

1.Электрический ток проходит по прямолинейному проводнику. Возникающее магнитное поле будет концентрическим и перпендикулярным электрическому току — но какое оно будет иметь направление? Для его определения достаточно окружить в уме правой рукой проводник, так, чтобы большой палец указывал направление тока. Вращение запястья вслед за остальными пальцами укажет направление линий магнитного поля.

На этом рисунке линии магнитного поля перпендикулярны наблюдателю и закручены справа налево. Если ток течет в обратную сторону (вниз), мы направим большой палец также вниз и определим, что линии магнитного поля закручиваются в обратную сторону.

2. Для определения направления силы, воздействующей на проводник в магнитном поле (силы Ампера), используется левая рука. Рассмотрим результирующий вектор.

_{→ →}

I'ɅB.

Расположим ладонь так, чтобы четыре пальца были направлены по току (вектор i), а вектор магнитной индукции входил в ладонь перпендикулярно ей (вектор В). Отставленный на 90° большой палец укажет направление силы, действующей на проводник, то есть силы Ампера.

(Для этого можно использовать и правую руку, главное — скорректировать направление векторов согласно описанному выше.)

На этом рисунке при определении BɅI' использована правая рука, следовательно, вектор В входит в ее тыльную сторону и выходит из ладони.

Закон Лоренца является основополагающим законом электродинамики — дисциплины, обязанной своим появлением Андре-Мари Амперу. Под электродинамикой мы понимаем изучение взаимодействия движущихся зарядов с электрическими и магнитными полями.

Ампер при изучении взаимодействия элементов тока был вынужден принять гипотезу о том, что внутри проводников существует движение этих элементов. Во времена нидерландского физика и математика Хендрика Антона Лоренца (1853-1928) существование точечных зарядов уже было доказано. Закон Лоренца устанавливает силу, воздействующую на частицу q, движущуюся со скоростью v в магнитном поле В, и записывается следующим образом:

_{→ → →}

F = q v Λ В.

Если а определяет угол, образованный скоростью и магнитным полем, показатель силы может записываться также следующим образом:

F=gvBsinα.

Но этот показатель может соответствовать и движению заряда, проходящего в проводнике длиной L со скоростью v за определенный промежуток времени (v = L/t). Поскольку электрический ток определяется как движение зарядов на единицу времени (I = Q/t), предыдущее выражение может принимать вид:

F=ILBsinα.

Иными словами, речь идет о силе Ампера, существование которой следует из открытого Ампером математического закона, если мы предположим, что магнитное поле создается электрическим током.

Закон Лоренца не описывает происхождение магнитного поля. На этом рисунке изображен магнит, хотя его роль может выполнять и элемент тока, то есть движущиеся заряды могут вести себя как магнит.

В ноябре 1826 года парижское издательство Мэгиньон-Марви выпустило «Теорию электродинамических явлений, выведенную исключительно из опыта» — книгу, где были собраны «доклады, которые г-н Ампер представил Королевской Академии наук во время заседаний 4 и 20 сентября 1822 года, 22 декабря 1823 года, 12 сентября и 21 ноября 1825 года». Книга содержит указатель, хотя сам текст не делится на главы или части, что затрудняет чтение. Несмотря на это труд Ампера представляет собой важный этап в истории электродинамики. Вот начало произведения — настоящая речь в защиту работы Ньютона:

«Эпоха, отмеченная в истории наук работами Ньютона, — не только эпоха наиболее важного из открытий, какие когда-либо делались человеком о причинах великих явлений природы; это также эпоха, когда человеческий ум проложил себе новую дорогу в области наук, изучающих эти явления.

Причины данных явлений искали ранее почти исключительно в импульсе со стороны неведомой жидкости. [...] Ньютон показал, что движение такого рода... должно быть сведено посредством вычисления к силам, действующим между двумя материальными частицами по прямой, которая их соединяет. При этом действие, оказываемое одной из этих частиц на другую, равно и противоположно действию, которое эта последняя одновременно оказывает на первую...»

Он считал, что не выдвинул ни одной гипотезы; однако же, как мы увидели спустя короткое время, он их выдвигал, даже не замечая этого факта.

Анри Пуанкаре (1854-1912).

Затем Ампер объяснял, что выводы Ньютона были не просто теоретическими, но основывались на опытных результатах, и цитировал законы Кеплера. Он также проводил параллель между работами Ньютона и сделанному им самим обобщению электричества и магнетизма. Кроме того, Ампер изящно упоминал работы своих современников Эрстеда, Био, Савара, Пуассона, Лапласа и других. Однако он был не совсем прав, говоря, что сам не выдвинул ни одной гипотезы и что все его выводы вытекали лишь из опытов.

Погружение в эту работу означало возврат к некоторым уже затронутым темам: концепция опытов, определение взаимодействия между элементами тока и так далее. Как мы уже говорили, речь идет о пересмотренной и усовершенствованной антологии электродинамической теории Ампера.

Интересно подвести итог важных событий 1820 года, которые привели Ампера к его теории электродинамики. Их хронология нам известна благодаря еженедельным заседаниям членов Академии наук, во время которых они представляли доклады о своих исследованиях.

4 сентября. Ампер сообщает академии об открытии Эрстеда.

11 сентября. Араго воспроизводит опыт Эрстеда для Академии наук.

18 сентября. Ампер показывает тангенциальное направление магнитной стрелки под воздействием электрического тока в ситуации, когда устранено влияние земного магнетизма.

25 сентября. Ампер доказывает, что спиральные проводники взаимно притягиваются и отталкиваются, а также реагируют на магниты аналогичной формы.

2 октября. Ампер представляет первую часть своего труда, который он опубликует в 1820 году в 15 номере «Анналов химии и физики»; он уже открыл электродинамическое взаимодействие между прямолинейными проводниками.

9 октября. Ампер представляет академии образцы приборов для установления электродинамических сил, действующих между прямолинейными проводниками.

17 октября. Ампер показывает Био и Гей-Люссаку прибор, с помощью которого он открыл воздействие земного магнетизма на кольцевой проводник.

30 октября. Ампер доказывает влияние земного магнетизма на электрическую цепь. Био и Савар делают свой первый доклад об измерениях, вытекающих из опыта Эрстеда.

6 ноября. Ампер представляет свой закон суммирования электродинамических сил и использует его для объяснения поведения спиральных проводников. Он использует спираль, закрученную вокруг оси-проводника, чтобы воспроизвести воздействие одного магнитного стержня на другой.

4 декабря. Ампер представляет свой принцип симметрии и использует его вместе с законом суммирования для определения углового фактора закона электродинамической силы. Био представляет предварительные измерения, осуществленные им вместе с Саваром.

11 декабря. Ампер представляет опыт, из которого следует, что фактор к является ничтожно малой величиной. Он совершает неубедительную попытку использования количественных измерений, чтобы доказать превосходство своей теории над теорией Био.

18 декабря. Био и Савар представляют второй набор количественных измерений, вытекающих из опыта Эрстеда.

26 декабря. Ампер представляет прибор с подвешенным магнитом для формулировки своего закона аддитивности.

Конец декабря или начало января 1821 года. Ампер изобретает прибор с линейным подвешенным проводом в состоянии равновесия для доказательства закона аддитивности.

Основы теории электродинамики были заложены в этом 1820 году, однако Ампер продолжил ставить новые опыты и включать в теорию новые открытия вплоть до 1826 года.

В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие электрического тока. Сразу же возник обратный вопрос: может ли магнит оказывать электрическое действие? Может, как доказал Фарадей в 1831 году. Это явление известно как электромагнитная индукция.

Дважды Ампер чуть было не дошел до его открытия. По иронии судьбы нехватка математических знаний Фарадея (недостаток, в котором он сам признавался Амперу) оказалась его преимуществом: в то время как Ампер отвлекался на расчеты, подтверждающие математический закон, Фарадей ставил блестящие опыты. Ампер не говорил об индукции до тех пор, пока о ней не заговорил Фарадей после своего открытия в 1831 году. Фарадей говорил об электрических токах, побужденных или произведенных под влиянием других токов. В 1820 году французский физик Огюстен Жан Френель (1788-1827), а в 1825 году швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802-1893), работавшие с магнитами и соленоидами, также очень близко подошли к этому открытию. Экспериментальный подход Ампера был иным: он задавался вопросом о том, может ли электрический ток производить другой электрический ток.

Исследования индукции были осуществлены Ампером в июле 1821 года и сентябре 1822 года с помощью прибора, изображенного на рисунке. Ученый подвесил кольцо из меди (вторичную электрическую цепь) внутри круговой катушки, также из меди (первичная электрическая цепь).

Круговая катушка была не чем иным, как медной обмоткой круглой формы. Катушка DEB была стационарной, а кольцо Я/G, напротив, могло двигаться. В положении р и q Ампер установил два магнита. Он пропустил электрический ток через первичную цепь, но не смог определить, как этот ток воздействовал на вторичную цепь. Для наблюдения этого нужно было, чтобы магниты заставили немного двигаться кольцо HIG.

В июле 1821 года Ампер написал письмо нидерландскому физику Альберту ван Беку (1787-1856), в котором частично описывал свой опыт. Его результаты были опубликованы в «Журнале по физике, химии, естественной истории и искусствам». Ампер утверждал, что электрические токи не производят других токов в проводниках. Он не оставил сведений о результатах, которые зафиксировал во время опыта, и даже не указал, была ли катушка именно катушкой или листом меди, согнутым в виде цилиндра. Как бы там ни было, ученый вскоре отказался от этого исследования и упустил возможность стать автором открытия электромагнитной индукции.

В сентябре 1821 года Фарадей заявил в Королевском Обществе о том, что он обнаружил постоянное вращение магнита под воздействием проводника с током и наоборот. Это событие подтолкнуло новые исследования Ампера, который начал поистине бесценную переписку с Фарадеем. Напомним, что через год, в 1822 году, Ампер посетил Огюста де ла Рива в Женеве. Там он провел три опыта, один из которых касался индукции, но на этот раз осуществил его с магнитом в форме подковы, гораздо более тяжелым, нежели прежние использовавшиеся магниты. Магнит был предназначен для выявления индуцированного тока во вторичной цепи (кольце) под влиянием тока первичной цепи. В этот раз Ампер и де ла Рив установили, что кольцо наклоняется, когда ток проходит по вторичной цепи, и возвращается в исходное положение, когда ток прекращается. Ампер не смог установить того факта, что это явление наблюдалось только при переменном токе, но не при постоянном. С самого начала своих исследований ученый интересовался предсуществованием тока в микроскопическом мире. Он справедливо задавался вопросом о том, не является ли обнаруженный им ток простым перенаправлением токов молекулярного мира или речь идет действительно об индуцированном токе, которого раньше не существовало. Он писал:

«Факт возникновения электрического тока под влиянием — очень интересен сам по себе, впрочем, он не связан с общей теорией электродинамического действия».

Ампер был блестящим ученым с выдающимися талантами в области теории. Однако его таланты в области практики были не столь значительными. Тем не менее ему ошибочно приписывается авторство множества изобретений, среди которых телеграф и электромагнит.

Вопреки этим утверждениям Ампер не был изобретателем телеграфа. Термин «телеграф» (означающий «писать на расстоянии») в то время уже существовал: первая линия оптического телеграфа была открыта благодаря братьям Шапп в 1794 году, между Парижем и Лиллем. Однако открытия Ампера сыграли главную роль в развитии электрического телеграфа. Его предложение было основано на результатах опыта Эрстеда: магнитная стрелка компаса могла отклоняться под воздействием удаленного провода. Позже предложение Ампера было несколько видоизменено, а когда появились лучшие идеи — и вовсе позабыто. В частности, открытие электромагнитной индукции и изобретение азбуки Морзе произвели революцию в использовании телеграфа и привели к его повсеместному распространению. Жан-Жак Ампер, сын Андре-Мари Ампера, опубликовал труд своего отца под названием «Доклад об электрическом телеграфе» в 1849 году, после смерти ученого, хотя эта работа к тому времени уже устарела.

Согласно закону Фарадея электродвижущая сила индукции (е) для замкнутого контура пропорциональна скорости изменения магнитного потока (Ф), проходящего через этот контур.

ε= dΦ/dt.

Знак минус относится к закону Ленца, согласно которому индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток, и это является следствием принципа сохранения энергии. Магнитный поток помогает измерить интенсивность магнитного поля, проходящего через плоскость. Опыт 1831 года, который позволил Фарадею обнаружить электромагнитную индукцию (см. рисунок рядом), состоял в том, что он менял мощность тока, пропускаемого через электромагнит первичной цепи в форме соленоида (слева). Соленоид был соединен с изолятором или другим соленоидом (вторичная цепь, справа), таким образом, что две цепи были разделены. Когда к первичной цепи подключалась батарея, наблюдался кратковременный всплеск тока. 3 этот короткий интервал соленоид производил изменяемое во времени магнитное поле, соответственно, ток во вторичной цепи также изменялся. Это колебание магнитного потока внутри вторичной цепи производило индукционный ток, фиксируемый гальванометром. Таким образом, ток возникал при соединении или разрыве цепи из-за повышения или понижения напряжения, и это вело к изменениям магнитного потока во вторичной цепи.

Схема опыта Фарадея 1831 года.

Электромагнит, то есть магнит, свойства которого появляются под воздействием электрического тока, также не является изобретением Ампера. Араго и Ампер вместе разрабатывали эту концепцию и проводили различные опыты, многократно получая изолированные проводники, которые действовали как электромагниты, создавая магнитное поле. Однако они не изучали само устройство, поскольку целью их опытов было подтверждение математического закона Ампера. Из-за этого тесного сотрудничества изобретение электромагнита иногда несправедливо приписывается Амперу. На самом деле его изобретатель — британец Уильям Стёрджен (1783-1850), который сконструировал и использовал по назначению первый в истории электромагнит. Он представлял собой согнутый в форме подковы железный стержень, покрытый лаком, обмотанный примерно 18 витками медной проволоки. Стёрджен доказал, что этот 200-граммовый электромагнит может поднимать до четырех килограммов. Но главный вклад в популяризацию электромагнита внес американец Джозеф Генри (1797-1878): ему удалось поднять больше 900 килограммов электромагнитом, обмотанным сотнями витков медной проволоки. Промышленное использование электромагнита поначалу было связано исключительно с телеграфией.