Электродинамика Ампера. 
Труды Ампера и их влияние на развитие электроэнергетики

ампер магнетизм научный электричество Одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше, провёл свои теоретические и экспериментальные исследования Ампер. 18 сентября 1820 г. он сообщил Парижской Академии наук о своём открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своём первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 г. он ввёл термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов. Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид, и многими другими.

Говорят, что, когда Ампер зачитал свой доклад об электродинамических действиях токов, один из его коллег по окончании чтения спросил: «Но что же, собственно, нового в том, что вы нам сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают действие также и друг на друга». Ампер, захваченный врасплох, не знал, что ответить.

Но ему на помощь пришёл Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга» [6]. Такой случай, по-видимому, действительно был, потому что Ампер в своей большой работе «Mйmoire sur la theorie mathйtmatique des phйnomиnes йlectro-dynamiques uniquement dйduite de l’expйrierace» («О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта») считает нужным заметить, что из опыта Эрстеда нельзя было логически заключить о взаимодействии двух токов, как из действия двух кусков железа на стрелку нельзя сделать вывода об их взаимодействии.

Но рассказывают ещё и о другом случае. Лаплас присутствовал на первой публичной демонстрации опыта Ампера. Публика уже расходилась, и Лаплас у выхода стал ждать ассистента, Даниэля Колладона; увидев его, он хлопнул его по плечу и, пристально глядя на него, спросил: «А не вы ли это, молодой человек, подталкивали провод?».

Однако этот случай, о котором многие рассказывают, скорее всего, вымышлен, ибо маловероятно, что Лаплас ждал публичной демонстрации опыта, чтобы узнать об открытии Ампера. Ведь сам Ампер вспоминает о полученных от Лапласа советах, как увеличить эффект в опыте Эрстеда, изогнув проводник так, чтобы оп проходил и над стрелкой и под нею. И потом совершенно неверно, будто первая публичная демонстрация опыта была проведена, как пишет Пикте, в 1823 или 1824 г. с несовершенными приборами, которые не позволили добиться желаемого эффекта, разочаровав публику и огорчив Ампера. Уже в феврале 1821 г. Ампер построил свою «скамью», использовав при этом многочисленные приспособления, изготовленные знаменитым Пиксием. Этой «скамьёй» воспользовался затем Деламбр, когда 2 апреля 1821 г. повторил перед Парижской Академией наук основные опыты Ампера.

Сразу же после открытия Эрстеда физикам показалось вполне естественным объяснить его тем, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. Такое объяснение было принято Араго, который приступил к опыту исходя именно из этого представления. Оно было принято также и Био, который упорно придерживался его ещё много лет. В 1820 г. Био утверждал, что когда прямолинейный ток действует на магнитную молекулу, то «природа этого действия та же, что и для намагниченной стрелки, помещённой на периферии проводника в определённом направлении, постоянном по отношению к направлению вольтаического тока» [4].

Био и другие физики, разделявшие его мнение, объясняли электродинамическое действие взаимодействием элементарных магнитов, возникающих под действием тока в каждом проводнике: каждый проводник, по которому проходит ток, превращается в магнитную трубку. Био оставался твёрдым в этом своём убеждении, хотя уже в 1820 г. Гей-Люссак и Вельтер придумали эксперимент, повторенный с тем же результатом Дэви и Эрманом, в котором показано, что два сильно намагниченных трубчатых кольца не проявляют взаимодействия.

Его придерживались также Дэви и Берцелиус. Последний уточнял, что каждое поперечное сечение проводника, по которому проходит ток, становится двойным магнитом с противоположными полюсами. Однако Ампер предложил другое объяснение, которое и является самым гениальным его вкладом в науку: не проводник, по которому течёт ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В самом деле, говорит Ампер, если мы предположим, что в магните присутствует совокупность круговых токов, текущих в плоскостях, точно перпендикулярных его оси, в одном и том же направлении, то ток, идущий параллельно оси магнита, окажется направленным под углом к этим круговым токам, что и вызовет электродинамическое взаимодействие, стремящееся сделать все токи параллельными и направленными в одну сторону. Если прямолинейный проводник закреплён, а магнит подвижен, то отклоняется магнит; если же магнит закреплён, а проводник подвижен, то движется проводник [4].

Легко понять, что в то время, в 1820 г., гипотеза Ампера казалась исключительно смелой и не удивительной, поэтому та сдержанность, с которой она была встречена. Гипотеза Био и Араго казалась куда более правдоподобной. Но когда в 1821 г. Фарадей установил вращение токов в магнитном поле, Ампер заметил, что такой эффект нельзя объяснить никаким распределением магнитиков в проводнике, через который проходит ток; такое распределения могло вызвать лишь силы притяжения или отталкивания, но никак не вращающую пару сил.

Ампер заботился больше о том, чтобы найти опытное подтверждение своей собственной гипотезы, нежели о критике чужих теорий. 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, т. е. должна принимать определённое 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 ведёт себя точно как магнитный листок.

Таким образом, обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведёт себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чём тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведёт 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 всё 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.

Сразу же после своих первых электродинамических опытов Ампер решил вывести формулу для величины силы, возникающей между двумя элементами тока, чтобы из этой формулы можно было найти силу, действующую между двумя частями проводников данной формы и положения. Не имея возможности проводить опыты с элементами тока, Ампер в 1820 г. попытался сначала использовать следующий метод: провести тщательные и многочисленные измерения действия двух конечных токов разной формы и положения, затем принять какую-либо гипотезу о взаимодействии двух элементов тока, вывести из неё взаимодействие двух конечных токов и далее модифицировать эту гипотезу до тех пор, пока теоретические и экспериментальные результаты не окажутся в полном соответствии. Это классический путь, многократно испробованный в подобных исследованиях, однако Ампер вскоре убедился в том, что этот способ в данном случае был бы построен на сплошных догадках и желаемые результаты можно получить более прямым путём.

Установив, что подвижный проводник находится точно в равновесии под действием равных сил, вызываемых неподвижными проводниками, размеры и форму которых можно без нарушения равновесия изменять при соблюдении условий, допустимых опытом, Ампер получил возможность непосредственно рассчитать, каково должно быть взаимодействие двух элементов тока, чтобы равновесие при таких условиях действительно не зависело от формы и размеров неподвижных проводников. Он смог успешно применить этот гораздо более узкий критерий, потому что опытным путём было определено четыре случая равновесия, два из которых ещё и сегодня приводятся курсах физики (равенство абсолютной величины сил, действующих на одинаковые токи, текущие в противоположных направлениях; одинаковое действие на прямолинейный подвижный проводник двух неподвижных проводников, прямого и изогнутого, одинаково удалённых и имеющих концы в одних и тех же точках).

Исходя из этих четырёх экспериментальных постулатов, Ампер путём довольно сложного доказательства вывел первую из формул электродинамического взаимодействия элементов тока, за которой последовали многие другие формулы, выведенные рядом учёных (Грассманн, Вебер, Риман и др.). Все эти формулы применялись для расчёта, и все они подвергались критике. Эти формулы давали величину силы, действующей между двумя элементами тока, в зависимости от сил токов, расстояния между элементами и их взаимного положения.

В ходе теоретических исследований выяснилось, что части одного и того же проводника должны взаимно отталкиваться. Этот факт представлялся Амперу настолько важным, что он счёл возможным положить его в основу электродинамики и поэтому решил найти ему непосредственное экспериментальное подтверждение. Таковое Ампер получил в сентябре 1822 г. с помощью приспособления, упоминаемого ещё в некоторых современных курсах физики. Это сосуд, разделённый перегородкой на два отделения, заполненных ртутью и соединенных подвижным проводником, плавающим в ртути. При прохождении тока по проводнику из одного отделения в другое подвижный проводник смещается.

Из своей формулы взаимодействия элементов тока, рассматривая магнит как систему молекулярных токов, Ампер вывел первый закон Лапласа, а из него способом, описываемым во всех современных учебниках, — закон Био и Савapa. Ампер вывел также закон Кулона для магнитостатического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две токовые системы. Другое благоприятное для своей теории обстоятельство Ампер видел в том факте, что незадолго до того выведенная Пуассоном формула для силы действия магнитного элемента на элемент северного или южного флюида совпадает с формулой, получающейся из его теории для очень маленькой замкнутой плоской петли тока. Отсюда сразу же следует, что если замкнутый малый плоский контур тока эквивалентен элементарному магнитику, то, разлагая, как это рекомендуется и сейчас в учебниках, конечный контур на отдельные кольца, можно показать, что замкнутый контур действует точно так же, как элементарные магнитики, которые равномерно распределены по ограниченной этим контуром произвольной поверхности так, что их оси нормальны поверхности. Это знаменитая теорема эквивалентности Ампера.

Ампер понимал, что к тем же проверяемым опытом выводам можно прийти, исходя и из других законов взаимодействия элементарных токов, поэтому особенно подчёркивал другое достоинство своей теории — её способность сводить к единой причине (взаимодействию двух элементов тока) три вида взаимодействий, кажущихся совершенно различными: магнитостатические, электромагнитные и электродинамические. Но главное достоинство своей формулы (единственной, которая, по его мнению, имеет право называться действительно элементарной) он видел в том, что она изгнала из физики «вращательные силы», сведя все силы природы к взаимодействию частиц вдоль соединяющей их прямой.

Таким образом, в этой большой работе, опубликованной в 1827 г. и охарактеризованной Максвеллом как «совершенная по форме и непревзойдённая по точности», Амперу удалось восстановить механистическую концепцию, сильно поколебленную опытом Эрстеда. Но как раз работы того же Максвелла позволили установить, что это всего лишь «заплата».

Вебер положил в основу своей теории электрического тока, рассматриваемого как истинный поток заряженных частиц, электромагнитное действие движущегося заряда; Максвелл также принял эту концепцию. По совету Гельмгольца Роуланд в 1876 г. с помощью классического эксперимента, вызвавшего длительную дискуссию, прекратившуюся практически лишь в 1903 г. благодаря Пуанкаре, доказал, что движущийся по окружности электрический заряд оказывает на магнитную стрелку точно такое же действие, как и круговой ток. Более того, при увеличении скорости заряда растёт и сила, действующая на каждый полюс стрелки, т. е. величина силы зависит от скорости заряда. Между тем для механистической концепции характерно объяснение всех явлений силами, зависящими лишь от расстояния между частицами. Опыт Роуланда не только подтверждал существование «вращательных сил», но вводил новый элемент, совершенно чуждый механистической концепции и потому сильно её поколебавший. Однако вернёмся ещё раз к работе Ампера. Оставив в стороне его резкую полемику с Био, полную личных выпадов, мы хотим заметить, что Ампер объясняет, как это он уже делал и в 1821 г., земной магнетизм существованием внутренних токов в земном шаре — это одна из многочисленных и малоудовлетворительных теорий, пытающихся объяснить земной магнетизм.

В 1822 г. Леопольд Нобили подкрепил взгляд Ампера, создав «прибор», состоящий из «…сферического шара, обмотанного металлической проволокой в направлении параллелей, которая соединяется концами с цинковым и медным электродами вольтова столба» [4].

Этот прибор в некоторых курсах физики называют «шаром Барлоу», хотя Барлоу представил его описание в Королевский институт лишь 26 мая 1824 г., т. е. через два года после опубликования статьи Нобили.

Основные идеи электродинамики Ампера таковы. Во-первых, взаимодействия электрических токов. Здесь делается попытка разграничить две характеристики состояний, наблюдаемой в электрической цепи, и дать им определение: это — электрическое напряжение и электрический ток. Ампер впервые вводит понятие «электрический ток», и вслед за этим понятие «направление электрического тока». Для констатации наличия тока и для определения его направления и «энергии» Ампер предлагает пользоваться прибором, которому он дал название гальванометра.

Таким образом, Амперу принадлежит идея создания такого измерительного прибора, который мог бы служить для измерения силы тока.

Ампер считал нужным внести также уточнение в наименование полюсов магнита. Он назвал южным полюсом магнитной стрелки тот, который обращён на север, а северным полюсом тот, который направлен на юг.