Кто открыл связь между электричеством и магнетизмом

Архитектор электромагнетизма: как Ампер повлиял на современный мир

Всё вокруг нас пронизано электромагнитными полями. Например, они возникают при включении утюга, фена или холодильника из-за протекания тока в проводах. А чтобы эти приборы могли в принципе работать, требуется электроэнергия: она вырабатывается на электростанции при помощи генератора. Даже эту статью вы не смогли бы сейчас прочитать, если бы человечество не использовало электромагнетизм — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе.

Все благодаря плеяде великих ученых, которые изучали это явление 200 с лишним лет назад. Один из них — Андре-Мари Ампер. Посмотрим на его жизнь, фундаментальные открытия и наследие. Спойлер: прямо по заветам Хокинга в статье не будет формул.

Что было до Ампера

В начале 19 века, когда Ампер провел серию своих знаменитых экспериментов, электричество и магнетизм по отдельности были достаточно хорошо описаны. Но почти никому в голову не приходило, что эти явления могут быть связаны

Магнетизм впервые упоминается еще в VIII веке до н. э. древними греками, когда был обнаружен магнетит — руда, способная притягивать металлы. Ее природа оставалась неизвестной, однако это не помешало китайским и европейским мореплавателям использовать магнетиты в компасах.

Что касается электричества, то с ним все было еще проще — не нужно было находить никаких руд, достаточно посмотреть наверх в непогоду. Еще в 600 году до н.э. Фалес Милетский заметил, что если натирать янтарь мехом, то к нему начинают притягиваться пылинки. А в некоторых случаях даже проскакивает искра, прямо как молния на небе.

Электрические явления исследовались целым рядом ученых вплоть до конца 18 века. Вот некоторые из знаковых работ:

• Английский врач и ученый Уильям Гилберт в трактате «Де Магнето» 1600 года описал как магнитные свойства Земли, так и базовые свойства статического электричества. Книга во многом опередила свое время, но в ней автор четко различал электричество и магнетизм. Ведь наэлектризованные материалы вроде янтаря или стекла притягивают любые предметы, тогда как магнетит — только железо.
• Философ и алхимик Роберт Бойль в 1661 году обнаружил, что наэлектризованные тела притягиваются даже в вакууме. Это означало, что механизм передачи не связан с воздухом. Кстати, разряжение он создавал при помощи одного из первых вакуумных насосов, в разработке которого участвовал.
• В 1706 году Фрэнсис Хоксби создал первую машину, способную производить электричество — электростатический генератор, использовавшийся во многих последующих опытах. В основе конструкции лежал стеклянный шар, который вручную вращался и терся о шерсть. На протяжении 18 века эта конструкция неоднократно улучшалась, пока в 1784 году не появилась вершина мастерства того времени — большой генератор Ван Марума.
• Эвальд Георг фон Клейст в 1744 году создал первый конденсатор — лейденскую банку, способную накапливать электрический заряд, вырабатываемый электростатическими генераторами.
• В 1784 году Шарль Кулон провел опыт по измерению силы электростатического взаимодействия между двумя телами, обладающими зарядами. Сила оказалась пропорциональна заряду и обратно пропорциональна квадрату расстояния — первый фундаментальный закон, касающийся электричества.
• В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первую электрическую батарею, основываясь на опытах Гальвани — позже она получила название «гальванической». Причем Вольта получал электричество не за счет трения или отвода молнии (привет, Бенджамин Франклин), а благодаря химической реакции двух разных металлов. По сути, электричество появлялось буквально из ниоткуда.

В общем, исследований хватало. Однако важно другое: к началу 19 века связь между магнетизмом и электричеством не была установлена. Все обнаруженные явления считались результатом действия особых жидкостей — их называли «флюидами». Вот что об этом писал в 1759 году один из ведущих теоретиков того времени, Франц Эпинус, в своем трактате Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism:

«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».

У многих были сомнения в подобной теории. Первым сумел обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями датский ученый Ганс Христиан Эрстед. В 1820 году он поместил магнитную стрелку компаса возле проволоки, которая была подключена к столбу Вольты. Какого же было удивление экспериментатора, когда при протекании тока стрелка начала отклоняться от привычного направления?

Опыт Эрстеда убедительно показал, что связь есть. Но как это можно объяснить? Вот тут на сцену и выходит Андре-Мари Ампер, архитектор электромагнетизма.

Как Ампер пришел к открытию

Давайте немного познакомимся с главным героем. Он родился в 1775 году в зажиточной семье купца Жан-Жака Ампера в городе Лион. То время историки называют эпохой Просвещения — выдающиеся мыслители вроде Жан-Жака Руссо и Вольтера провозгласили торжество логики и науки вопреки мраку клерикализма.

Отец Ампера был ярым приверженцем этого подхода, поэтому пошел по интересному пути: мальчик не посещал школу с ее убогими церковными устоями, а получил образование в домашней библиотеке. Там он познакомился с работами видных писателей и философов вроде Дидро и Руссо, но главной страстью Андре-Мари на многие годы стала наука.

В 1789 году случилась Великая Французская революция, и новое правительство призвало Жан-Жака Ампера стать мировым судьей — тем более он горячо приветствовал смену власти. Но в 1792 году, с приходом якобинцев, отца Андре-Мари обвинили в реставрации старого режима и казнили на гильотине 24 ноября 1793 года. Это событие сильно пошатнуло веру будущего ученого в любые авторитеты.

На свою первую постоянную работу Ампер устроился в 1799 году в качестве скромного учителя математики. Он женился, а через год у пары появился ребенок, которого назвали в честь дедушки Жан-Жаком. К слову, он стал очень известным филологом и членом Академии наук.

В 1802 году Ампер был назначен профессором физики и химии в Центральной школе Бурк-ан-Бресе. А в 1804 году он стал преподавателем основанной Наполеоном «Политехнической школы» — ведущей кузницы инженеров и ученых в стране. Именно там Андре-Мари стал серьезно заниматься наукой, причем все его исследования поначалу вообще не касались электромагнетизма. Например:

• в 1803 году написал трактат «Соображения по математической теории игр», очень высоко отмеченный коллегами.
• В 1811 году, независимо от Авогадро, предположил, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул». В литературе этот принцип иногда даже называют гипотезой Авогадро-Ампера.
• К 1820 году описал дифференциальное уравнение с частными производными 2-го порядка — оно получило название уравнение Монжа-Ампера.

Благодаря столь разносторонней работе Ампер стал членом Французской академии наук. Но когда же он добрался до электромагнетизма?

В 1820 году Эрстед продемонстрировал свои эксперименты публике, а позже опубликовал результаты в работе «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Месяц спустя эксперимент датчанина повторил физик Огюст де ла Рив в Женеве, при большом стечении народа. Один из зрителей — математик Франсуа Араго, друг Ампера — по возвращении в Париж воспроизвел опыты Эрстеда в Академии наук. Примечательно, что перед демонстрацией он сказал:

«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».

Зато смог оценить Андре-Мари Ампер. Он начал с того, что решил повторить опыт Эрстеда и разобраться во всем подробнее. Прежде всего Ампер определил, что статическое электричество не вызывает отклонение магнитной стрелки — то есть разгадка кроется именно в протекании тока. С чем это может быть связано?

Сначала он поменял местами в эксперименте движущиеся части: сделал так, что вращался проводник с током, а не магнитная стрелка. Получилось, что явление работает в обе стороны.

А что, если вообще убрать постоянный магнит и проверить, как будут взаимодействовать два проводника с током? Для этого Ампер модернизировал установку, поместив ее в стеклянную колбу, чтобы исключить воздействие воздуха. На рисунке ниже контур ECDF — свободно вращающаяся вокруг оси OZ проводящая рамка, а AB — покоящийся проводник. По обоим контурам протекают токи от двух столбов Вольта.

Удивлению Ампера не было предела, когда рамка отклонилась при протекании тока по обоим проводникам. Если токи протекали параллельно, то рамка отталкивалась, словно одноименные полюса магнита. Если менялось подключение одного из проводников на противоположное — рамка притягивалась. Это сейчас такой опыт не может удивить даже семиклассника, а в то время это было сродни шоку.

Дополнительно Ампер убедился, что эффект проявляется по всей длине проводника. Для этого он подносил магнитную стрелку и наблюдал, как меняется ее ориентация вдоль линий магнитной индукции, напоминающих концентрические окружности перпендикулярно проводнику.

18 сентября 1820 года, спустя неделю после начала экспериментов, Андре-Мари выступил с докладом перед коллегами из Академии наук, описав в подробностях свои эксперименты. Закончил он фразой: «Так что любые проявления магнетизма я свожу исключительно к протеканию электрического тока». Получалось, что дело вообще не в постоянном магните: ток порождает магнитное поле, а никаких магнитных и электрических жидкостей не существует.

В тот момент из зала спросили (в духе комментариев на Хабре): «А чем ваш опыт кардинально отличается от эксперимента Эрстеда? Очевидно, что если проводник с током влияет на магнит, то и друг на друга проводники тоже должны влиять, нет?». На что Араго, друг Ампера, произнес:

«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?»

Ампер пошел дальше и провел еще серию экспериментов. Если вокруг проводника образуются круговые линии магнитной индукции, то что произойдет, если свернуть проводник в кольцо? Разве не будет магнитное поле усиливаться, образуя выраженные магнитные полюса? В тот момент Ампер придумал соленоид.

Для проверки теории о том, что это вообще будет работать, Андре-Мари решил превратить проводник с током в компас и проверить, будет ли он отталкиваться от магнитного поля Земли.

После этого Ампер провел измерения, проанализировал данные по всем экспериментам и пришел к следующим выводам:

• Два параллельных проводника притягиваются друг к другу или отталкиваются с определенной силой. Она прямо пропорциональна значению токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
• Направление магнитного поля можно определить по правилу правой руки: если большой палец смотрит вдоль проводника с током, то остальные четыре пальца покажут искомое направление.
• Маленькие токи в каждом витке проводника порождают магнитные поля, которые складываются по принципу суперпозиции.

Ампер выступил с повторным докладом по соленоидам спустя всего неделю после предыдущего, 25 сентября 1820 года. Итого на все опыты ушло каких-то две недели.

На протяжении следующих семи лет Андре-Мари Ампер продолжал работу, выпуская все больше теоретических работ. В 1822 году ученый впервые сформулировал гипотезу, согласно которой любой постоянный магнит состоит из множества маленьких плоских магнитов, которые порождаются внутренними молекулярными микротоками. Примерно как в его эксперименте с соленоидом и суммированием магнитной индукции каждого витка. Можно сказать, что Ампер описал магнитные диполи.

В 1826 году Андре-Мари сформулировал теорему о циркуляции магнитного поля, основанную на своих предыдущих исследованиях: «Циркуляция магнитного поля постоянных токов по любому замкнутому контуру пропорциональна сумме сил токов, пронизывающих контур циркуляции».

В 1827 году вышла главная для всей жизни ученого книга: «Мемуары о математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенных из опыта», в которой Ампер подвел итоги всех своих исследований и впервые употребил термин «Электродинамика».

Наследие Ампера

После публикации мемуаров Ампер сосредоточился на преподавательской деятельности и классификации наук, прекратив исследования электромагнетизма. На тот момент ему выделили должность профессора кафедры физики в старейшем учебном заведении Франции — Коллеж де Франс. Именно там он и продолжал работу вплоть до 1834 года, когда вышел на пенсию.

Великий ученый умер 10 июня 1836 года в Марселе от пневмонии в возрасте 61 года. Некоторые важные исследования в области электромагнетизма он успел застать — например:

• В 1820 году, параллельно с работой самого Ампера, его коллеги Жан-Батист Био (выдающийся ученый, член Академии наук) и Феликс Савар получили экспериментальные данные. На их основе Лаплас вывел формулу для нахождения вектора индукции магнитного поля. Закон получил название Био-Савара-Лапласа и стал чем-то базовым вроде закона Кулона в электростатике.
• В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, когда вращающийся вокруг катушки с проводником магнит приводил к появлению ЭДС в ней. По сути, появился первый электрогенератор.

Но самый главный прорыв в области теории электродинамики произошел через 30 лет после смерти Ампера, когда Джеймс Максвелл опубликовал свою статью 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля». Основываясь на опытах не только Ампера, Био, Савара и Фарадея, но и теоретических работах Вебера и Гаусса, Максвелл ввел понятие электромагнитного поля, а также описал его с помощью системы уравнений. По сути, любой экспериментальный закон прошлого теперь можно было вывести с их помощью.

Работа Максвелла по праву считается одной из самых важных в XIX веке, на ее основе строились исследования Герца, Лоренца, Эйнштейна и многих других. Но это уже темы для других статей.

Чтобы увековечить имя Андре-Мари Ампера, на Международной электрической выставке в 1881 году единицу силы тока предложили назвать в его честь. В 1893 году ее официально утвердили: 1 ампер равнялся такой силе тока, при которой за секунду из раствора нитрата серебра произошло бы электрохимическое осаждение 0,0001118 граммов осадка. Правда, с текущими изменениями 2019 года в СИ это уже не так.

Сейчас сложно себе представить, что бы мы делали без электромагнетизма. И лучше всего роль Ампера в становлении электродинамики сформулировал его самый большой поклонник — Джеймс 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».

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.

Физическая сущность электромагнетизма

На субатомном уровне электромагнетизм определяется как сила, действующая между электрически заряженными частицами. Он считается одним из фундаментальных взаимодействий материи. Колебания электрических зарядов приводят к возникновению электромагнитных волн.

Когда электрически заряженные частицы, например электроны, приводятся в движение, они создают магнитное поле. Когда эти частицы приходят в колебательное движение, они создают электромагнитное излучение. В зависимости от частоты колебаний оно может включать радиоволны, видимый свет или рентгеновские лучи.

В более широком смысле электромагнетизм — это создание магнитного поля в результате движения электрических зарядов.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Обычно речь идет об использовании электрического тока для создания электромагнитов, что называется электродинамикой. Другим эффектом является электромагнитная индукция, которая заключается в использовании электромагнита или изменяющегося магнитного поля для индуцирования электрического тока.

Хотя постоянные магниты создают хорошее, а иногда и очень сильное статическое магнитное поле, в некоторых случаях сила этого поля оказывается слишком слабой или нам необходимо иметь возможность контролировать величину магнитного потока. Поэтому для создания более сильного и управляемого магнитного поля необходимо использовать электричество.

Используя катушки проволоки, намотанные на мягкий магнитный материал (железный сердечник), можно получить очень сильные электромагниты. Электромагнит можно создать и без железного сердечника. Такой электромагнит обычно называется соленоидом.

Катушка с железным сердечником

Электромагнетизм возникает, когда электрический ток течет по простому проводнику, например, по проволоке или кабелю, и при прохождении тока по всему проводнику вдоль него создается магнитное поле. Небольшое магнитное поле, создаваемое вокруг проводника, имеет определенное направление, причем северный и южный полюса определяются направлением электрического тока, протекающего через проводник.

Чтобы определить направление магнитного поля, можно воспользоваться правилом правой руки. Если взять правую руку и обхватить ею провод, при этом большой палец будет направлен в сторону электрического тока (от положительного к отрицательному), то пальцы будут направлены в сторону магнитного поля вокруг провода. Попробуйте сделать это с помощью приведенной выше картинки. Направление магнитного поля можно также определить, поместив компас рядом с проводом.

Кто открыл

Взаимосвязь между электричеством и магнетизмом давно предполагалась, если не была полностью понята. Уильям Гилберт, проводивший эксперименты с электричеством в начале XVII века, руководствовался желанием улучшить морскую навигацию с помощью магнитных компасов. Многие эксперименты Бенджамина Франклина были направлены на то, чтобы лучше понять взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Однако наиболее значительные успехи в понимании этой взаимосвязи были достигнуты в 1800-х годах, начиная с датского ученого Ханса Кристиана Эрстеда. В 1820 году Эрстед случайно обнаружил, что электрический провод заставляет двигаться иглу компаса. Эрстед предположил, что электричество создает магнитное поле, и это наблюдение было развито другими учеными, которые пытались использовать электричество для создания магнитов.

Затем вместо того чтобы использовать электричество для создания магнитов, ученые попытались использовать магниты для генерации электричества. Это открытие было сделано в начале 1830-х годов двумя учеными, работавшими независимо друг от друга, — Майклом Фарадеем в Великобритании и Джозефом Генри в США. Они открыли принцип электромагнитной индукции: электрический ток можно получить, если подвергнуть проводник (например, металлическую проволоку) воздействию постоянно меняющегося магнитного поля.

Основные законы электромагнетизма

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток порождает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток в проводнике.

Магнитная индукция позволяет использовать электродвигатели, генераторы и трансформаторы, составляющие основу современной техники. Благодаря пониманию и использованию индукции у нас есть электрическая сеть и вещи, которые мы к ней подключаем.

Закон Фарадея был впоследствии включен в более полные уравнения Максвелла. Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, по сути, объединяя их в единую электромагнитную силу и описывая электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.

Для понимания закона индукции Фарадея важно иметь базовое представление о магнитном поле. Магнитное поле сложнее электрического. В то время как положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда располагаются парами — один северный, другой южный. Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленных размеров, планет и звезд — являются диполями, т.е. имеют два полюса. Эти полюса называются северным и южным — по направлению, на которое указывают иглы компаса. Противоположные полюса притягиваются, а схожие — отталкиваются, поэтому северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, поскольку он притягивает северные полюса компасных игл.

Магнитное поле часто изображается в виде линий магнитного потока. В случае со стержневым магнитом линии потока выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество линий потока, проходящих через заданную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока, или напряженность поля. Однако это всего лишь модель. Магнитное поле является гладким и непрерывным и в действительности не состоит из дискретных линий.

Магнитное поле Земли создает огромное количество магнитного потока, но он рассеян в огромном объеме пространства. Поэтому через определенную область проходит лишь небольшое количество потока, в результате чего поле оказывается относительно слабым.

Правило Ленца

Правило Ленца было сформулировано немецким ученым Эмилем Ленцем в 1834 г. Этот закон основан на принципе сохранения энергии и согласуется с третьим законом Ньютона. Используется для определения направления индукционного тока в цепи.

Общее определение закона Ленца следующее: «Индукционный ток в цепи, обусловленный электромагнитной индукцией, всегда противодействует изменению магнитного потока».

Это научный закон, который определяет направление индукционного тока, но ничего не говорит о его величине. Магнитное поле, связанное с замкнутым контуром, усиливает индукционный ток таким образом, что он создает магнитное поле в направлении, противоположном исходному магнитному полю. Таким образом, противопоставляется породившая его причина и констатируется его сходство с третьим законом Ньютона.

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, действующая на заряженную частицу под действием электрического и магнитного полей. Заряженная частица в электрическом поле всегда будет испытывать силу, обусловленную этим полем, величиной F=qE. Заряженная частица в магнитном поле будет испытывать силу, обусловленную магнитным полем, только в том случае, если она движется с компонентой скорости, перпендикулярной полю. Если же она движется параллельно магнитному полю, то не испытывает никакой силы. Эти две силы часто изучаются отдельно, но их сумма образует силу, которую мы называем силой Лоренца.

Закон Ампера

Закон Ампера — один из фундаментальных законов электростатики, утверждающий, что электрический ток в проводнике создает магнитное поле.

Закон гласит, что, магнитное поле, создаваемое электрическим током, прямо пропорционально напряженности электрического тока, а константа вероятности здесь — проницаемость свободного пространства.

Формулы

1. Формула закона Ленца выводится из закона электромагнитной индукции Фарадея. Согласно этому закону, электродвижущая сила (ЭДС) на катушке рассчитывается как:

E = -N(d∅/dt), где

отрицательный знак означает, что направление индуцированной ЭДС противоположно изменению магнитного потока;

E — электродвижущая сила;

N — число витков катушки;

dt — изменение времени;

d∅ — изменение магнитного потока.

2. Формула закона Ампера равна линейному интегралу магнитного поля вокруг замкнутого контура, такому, что он равен числу раз, которое алгебраическая сумма токов проходит через этот контур. Для проводника с током I, по которому течет ток, создающий магнитное поле вокруг провода, эта формула может быть использована для расчета поля:

∮→B⋅d→l=μ0I, где

μo — константа проницаемости, имеющая значение 4π × 10-7 Н/А2;

I — сила тока, проходящего через замкнутый контур;

B — магнитное поле;

L — длина контура.

Для замкнутого провода значение 2πr. Таким образом, величина магнитного поля в этом случае равна: B = μoI/2πr.

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле напряженности B со скоростью v, будет испытывать силу Лоренца, величина которой равна:

F=qvBsinθ,

где θ — угол между скоростью частицы и магнитным полем (линии поля направлены от N к S), а q — заряд частицы. Эта сила действует под прямым углом как к магнитному полю, так и к скорости частицы. Для запоминания направления этой силы можно использовать правило левой руки Флеминга (где большой палец обозначает силу, первый палец — магнитное поле, а второй палец — скорость, если частица заряжена положительно). В терминах координат, если скорость направлена по оси +x, а поле — по оси +y, то сила действует в направлении +z.

На провод с током, находящийся в магнитном поле, будет действовать сила Лоренца в направлении, определяемом правилом левой руки Флеминга, с величиной:

F=IlBsinθ,

где l — длина провода в магнитном поле, I — ток, протекающий по проводу, а θ — угол между проводом и магнитным полем.

Примеры

В качестве примеров электромагнетизма можно привести следующие:

1. Видимый свет вокруг нас — это электромагнитные волны.
2. Авроры, которые видны над полюсами, обусловлены электромагнетизмом.
3. Радиоволны и другие волны, используемые для связи, также являются электромагнитными волнами.
4. Дисплей в ЭЛТ-телевизоре.
5. В бытовых миксерах-измельчителях за счет электромагнетизма движется лезвие.
6. Двигатели, используемые в различных инженерных приложениях, работают на принципе электромагнетизма.
7. Используется в магнитно-резонансной томографии, применяемой в медицине.
8. Рентгеновское излучение
9. Динамики.

Насколько полезной была для вас статья?

15 февраля 1820 года физик Ханс Эрстед обнаружил магнитное действие электричества

Электричество и магнетизм проявляют себя совершенно по-разному, но на самом деле они теснейшим образом связаны между собой. Эта проблема волновала таких ученых как Араго, Ампер и Элиниус, но только Хансу Кристиану Эрстеду удалось получить однозначный ответ.

В основе научных открытий Эрстеда лежит страстное увлечение философией, одним из принципов которой является утверждение о связи всего со всем. Это привело его к поискам взаимосвязей между различными явлениями, в том числе связи магнетизма и электричества.

В 1813 году он написал работу под названием «Исследования идентичности химических и электрических сил», в которой предположил существование связи между магнетизмом и электричеством. Обосновывалось это довольно просто: если электричество способно порождать тепло, свет и звук, почему оно не может вызывать магнитные действия.

Спустя семь лет, Эрстед смог подтвердить свои умозаключения на практике. В 1820 году на своей лекции в Копенгагенском университете, используя только что изобретенную электрическую батарею в качестве источника тока, он продемонстрировал, что под воздействием поднесенного на близкое расстояние проводника магнитная стрелка компаса отклоняется. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом.

В результате сам Эрстед получил всемирное призвание, его работа была переведена на английский, немецкий, итальянский и другие языки. А в 1830 году, он стал почетным членом Петербургской академии наук.

Открытие Эрстеда буквально вдохновило целый ряд ученых, таких как Ампер, Био, Савар и других на проведение новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи и, в конечном итоге, привело к появлению теории электромагнетизма Максвелла.

Материал подготовлен по открытым источникам

Источник фото на главной странице: Википедия

История развития электродинамики. Магнетизм

Два года назад для аспирантуры писал реферат по истории развития электродинамики. А тут про него вспомнил и решил сделать из него несколько записей в блоге, чего добру пропадать. 🙂 Правда, пока готовил этот пост от реферата мало что осталось в первозданном виде, но это даже хорошо. А то тогда мне главное было его сдать, а теперь можно зарыться во всякие интересные книжки и ссылки и дополнить его интересными фактами.

Магнетизм

Когда точно были открыты постоянные магниты неизвестно, но уже в V веке н.э. магнетизм был известен. По крайней мере в это время уже знали, что подвешенные на веревке кусочки минерала магнетит, большие залежи которого были в древнем городе Магнесия, всегда ориентируются в одном и том же направлении. Собственно, и название “магнитизм” произошло от названия города Магнесия, который располагался на притоке реки Меандра. Этот город часто называют Магнесия на Меандре, потому что был еще один город с таким названием — Магнесия у Сипила. Сейчас Магнесия на Меандре называется Манисса и находится в Турции.

В Китае первый магнитный компас стали использовать аж во II веке до н.э. для указания направлении движения по пустыням, поэтому можно сказать, что про магнетизм китайцы использовали уже тогда, хотя для Европы изобретение компаса произошло XII—XIII веках н.э. (по другим сведениям в IX веке).

К этому времени магнитам использовались, но не особо их изучали. Кроме того тогда уже знали о том, что янтарь способен притягивать кусочки шерсти, и это тоже относили к магнитным явлениям. К первым исследователям можно отнести, например, Фалеса Милетского (640/624 — 548/545 до н.э.). Он предположил, что у магнита есть “душа” и объявнял свойства магнита именно с помощью нее. Собственно, на этом его достижения в магнетизме и заканчивается.

Арабский мыслитель Абу ал-Валид Мухаммад ибн Ахмад ибн Рушд, известный также под именем Аверроэс (1126 — 1198 гг), сделал интересное по тому времени предположение, что магнит искажал пространство вокруг него в соответствии с формой магнита.

В 1269 году Пьер Перегрин из Марикурта опубликовал рукопись “Трактат о магнитах”, в которой описал многие свойства магнита. По сути, эта рукопись изначально была просто письмом другу. Перегрин — это не фамилия, а прозвище, которое на современный лад можно перевести как пилигрим, паломник, странник, путешественник по святым местам. Тогда, во времена крестовых походов, такое прозвище было получить не трудно. Тем более, что Перегрин участвовал в военных действиях, а письмо-трактат писал в военном лагере Карла Анжуйского, осаждавшего город Лючеру.

Именно Перегрин открыл (или по крайней мере описал), что существуют полюса магнита, и написал, что два магнита должны притягиваться, или, как он выразился, “совокупляться”, разноименными полюсами. Также он говорил про отталкивание магнитов, если их поднести друг к другу одноименными полюсами. Еще он заметил, что если кусок магнитной руды разломить пополам, то каждый из обломков также имеет два полюса. Правда, слово “полюс” Перегрин не использовал, он говорил о местах магнита, где “магнитное действие”, особенно велико. Кроме того Перегрин с помощью магнитов собирался делать вечный двигатель.

Но особенно много для развития магнетизма сделал Уильям Гильберт (1540 — 1603). Причем он был доктором медицины, но заинтересовался магнитами после прочтения “Трактата о магнитах” все того же Перегрина (а еще, возможно, потому что тогда магниты использовались как слабительное 🙂 ) и позже опубликовал свою работу “О магните, магнитных телах и большом магните — Земле”, в которой точно классифицировал известные свойства магнита. Самый известный его эксперимент был поставлен с целью объяснить магнетизм Земли. Гильберт изготовил шар из магнитной руды и исследовал, каким образом шар действует ни маленькую железную стрелку. Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки инклинатора (компасной стрелки, вращающейся на горизонтальной оси) вблизи Земли и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит. Гильберт также высказал мысль, что «магнетическое действие выливается с каждой стороны» магнитного тела (понятие, отдаленно напоминающее силовые линии, который будут открыты Фарадеем в XIX веке). Он открыл, что при нагревании магнита выше некоторой температуры его магнитные свойства исчезают; впоследствии эта температура (588°С) была названа точкой Кюри, в честь Пьера Кюри. Гильберт открыл, что, когда приближают к одному полюсу магнита кусок железа, другой полюс начинает притягивать сильнее. Эта идея была запатентована через 250 лет после смерти Гильберта. Вот и еще один камень в огород патентов, будь они неладны. 🙂 Он же открыл и намагничиваемость железа, если оно лежит вблизи магнита.

Гильберт многое сделал и открыл. Но Гильберт почти ничего не смог объяснить. Нет, объяснить он пытался, но получалось это довольно оригинально. Вот, например, как Гильберт объясняет тот факт, что при разрезании одного длинного магнита образуется много коротких, которые имеют первоначальное направление намагничивания и стремятся сохранить прежнее положение в пространстве. Он сравнивает магнит с веткой дерева:

“Пусть AB будет покрытый листвой сучок ивы… A – верхняя часть, B – нижняя, по направлению к корню. Разделили его в C. Я утверждаю, что конец A, снова вставленный в B с соблюдением правил прививки, прирастает к нему; точно так же, если B вставить в A, то они скрепляются друг с другом и дают ростки. Но если D вставить в A или C в B, то они вступают между собой в борьбу и никогда не срастаются, но один конец отмирает вследствие неподходящего и несоответствующего соединения, так как растительная сила, идущая одним путем, теперь оказывается стремящейся в противоположные стороны…”

Да и вообще магнетизм он пытаелся объяснить с помощью все той же “души магнита”, про которую говорил Фалес.

И именно Гильберг первый разделил электричество от магнетизма, и именно после этого электричество и магнетизм стали изучать раздельно. Причем именно Гильберт ввел и само понятие “электричество”. Под электричеством он стал понимать притягивание куском янтаря шерсти. До него это явление считали разновидностью магнитизма. Он пытался установить, какие вещества похожи на янтарь по своим электрическим свойствам, а какие — нет. Вот первое в истории употребление слова «электрический»:

“Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь” (Гильберт В. “О магните”, глава “Объяснение некоторых слов”).

А само латинское слово “electricus” означает “Янтарный”. Он же показал, что притягивать шерсть и другие мелкие предметы могут также алмазы, сапфиры, горный хрусталь, стекло, сера, соль и т. д.

Но про электричество (а точнее, про электростатику) будет в следующий раз.

Ссылки

PS. Спасибо за карму, перенес в «Я умный».

PPS. Кому интересно, продолжение здесь.