Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

Он сравнил направление, которое указывает компас, когда меняется его положение на террелле, с меридианами, и назвал полюсами те точки, где они пересекаются. Гильберт сделал вывод, что наша планета ведет себя так же, как террелла: это Большой Магнит.

К несчастью, значительные исследования Гильбертом магнетизма, которые он смог осуществить благодаря большой пенсии, предоставленной королевой (это был один из первых грантов на исследование в истории), были заброшены и забыты почти на два века, потому что его коллеги больше интересовались изучением электричества.

До 1819 года считалось, что магнетизм и электричество — абсолютно разные явления. Зимой, в начале этого года, профессор физики Копенгагенского университета по имени Ханс Кристиан Эрстед сообщил на публичной лекции о магнетизме, что при приближении компаса к электрическому проводу стрелка изменяет направление и перестает показывать на север. «Никто в аудитории не был впечатлен этим», — прокомментировал он через некоторое время. Эрстед интересовался возможной связью между обоими явлениями с 1807 года, и его интерес к теме обозначился в 1813 году, когда он написал: 

«Нужно проверить, не производит ли электричество в своем самом латентном состоянии какое-то действие на магнит как таковой». 

В статье от 21 июня 1820 года Эрстед сообщил научному сообществу о своем открытии, делая акцент на зависимости от расстояния и от относительного положения провода и компаса: намагниченная стрелка поворачивается, если только не расположена перпендикулярно проводу (см. рисунок).

Любопытно, что столь удивительное открытие французская наука встретила враждебно. «Это просто еще одна немецкая блажь», — утверждал физик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838). Однако его соотечественник Франсуа Араго (1786-1853) воспроизвел эксперимент Эрстеда в Женеве, all сентября 1820 года сделал это в Парижской академии наук. Он также открыл, что медный провод, по которому проходит электрический ток, притягивает железные опилки: они облепляют его, но отделяются, когда ток пропадает. Четыре года спустя, в 1824-м, Араго обнаружил, что если начать вращать медный диск, над которым размещена намагниченная стрелка, то она будет отклоняться от первоначального положения. Точно так же, если этому препятствовать (закрепив стрелку), движение диска стремится к замедлению.

Эксперимент Эрстеда: при включении цепи намагниченная стрелка отклоняется и становится перпендикулярно проводу.

Данные открытия заставили Андре-Мари Ампера (1775— 1836) подумать, что электрический ток ведет себя как магнит, потому что он в некоторой степени и должен быть магнитом. Ампер также доказал, что два электрических провода взаимно отталкиваются или притягиваются так же, как два магнита. Точное определение закона, описывающего это явление, потребовало у него тщательно проведенного исследования: проблема была сложной из-за векторного характера как задействованной силы, так и магнитного поля, создаваемого током. Вспомним, что вектор представляет собой физическую величину, определяемую значением, которое она принимает, ориентацией и направлением. Так, скорость машины на 234 км автомагистрали А-2 — это вектор: 90 км/ч — это его значение (называемое модулем), ориентация — это шоссе, а направление указывает на то, в какую сторону по шоссе двигается машина. Кроме того, ученый обнаружил, что можно усилить эффект, открытый Араго, если намотать провод спирально, образовав катушку: так родился электромагнит. В последующие годы Ампер приложил массу усилий, чтобы получить математическую теорию, которая объяснила бы полученные экспериментальные результаты. В 1825 году он опубликовал свою великую работу «Мемуары о математической теории электродинамических явлений, выведенной исключительно из опыта», которую позже назвали «Началами» электродинамики.

Экспериментальное исследование, которое установило закон Ампера о механическом взаимодействии между электрическими токами, — одно из самых блестящих достижений науки.

Джеймс Клерк Максвелл, «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873)

Таким образом, Ампер отрицал теорию двух флюидов (электричества и магнетизма) в пользу существования только одного. Но, возможно, его более важный вывод состоял в том, что магнит — это только множество электрических токов, иначе говоря, магнитные силы — лишь проявление кругового движения электрических токов вокруг магнитной оси. Данное утверждение было довольно спорным, и друг Ампера, Огюстен Френель (1788-1827), попытался доказать его с помощью ряда хитроумных экспериментов. Но в 1821 году, после их провалов, Ампер принял идею Френеля о том, что у этих токов молекулярная природа. В основе такой гипотезы лежало предположение о том, что постоянный магнетизм и электромагнетизм — две стороны одного и того же явления. Не все соглашались с этим мнением, и среди самых известных противников гипотезы был Фарадей. Френель пошел еще дальше, утверждая, что можно вызвать ток в цепи, если она примыкает к другой цепи, по которой уже течет электрический ток. Ему не удалось это доказать, и пришлось ждать еще десять лет, пока подобное смогли наблюдать.

В 1831 году тот, кто до этого был помощником Дэви, Майкл Фарадей, теперь являлся директором лаборатории Королевского института. В этом году, самом плодотворном во всей его жизни, он доказал рядом хитроумных и блестящих экспериментов, что можно индуцировать электрический ток в медной катушке с помощью магнита. Важной деталью, которую Фарадей открыл почти случайно, было то, что ток появляется, только если двигать магнит в присутствии провода. Если магнит находится в состоянии покоя рядом с проводом, ничего нельзя измерить (см. рисунок). Для примера представим себе круглую петлю провода. Если мы поместим и вытащим магнит через центр петли, то с помощью подходящего инструмента (амперметра) обнаружим наличие электрического тока. В тот момент, когда мы перестанем двигать магнит, течение тока прекратится. То же самое происходит с двумя расположенными рядом проводниками: только в тот момент, когда включается или выключается ток в одном из них, появляется индуктивный ток в другом. Открытие магнитной индукции было одним из великих достижений Фарадея.

Великое открытие Фарадея: только при движении магнита индуцируется электрический ток. Если он неподвижен, ничего не происходит.

Таким образом было доказано, что магнетизм и электричество — аспекты одного и того же явления. Существует анекдот о том, как Фарадей представил свои открытия на публичной лекции. Когда пришла очередь вопросов, одна дама, типичная представительница викторианской эпохи, спросила его:

— Господин Фарадей, для чего нужно все то, о чем Вы нам рассказали?

На это Фарадей ответил:

— А для чего нужен новорожденный младенец?

Согласно другой, не столь популярной версии этой истории, ученый сказал:

— Через несколько лет вы будете платить за это налоги.

Ампер свел магнетизм к движению молекулярных токов и попытался объяснить воздействие, оказываемое одним проводником на другой, колебаниями в эфире, который рассматривался как нейтральная субстанция. Эту модель материи, обремененную гипотетическими и практически призрачными сущностями, было довольно трудно принять экспериментальному духу Фарадея. Он двояко относился к Амперу: признавал его важную экспериментальную работу, но проявлял твердый скептицизм к его теоретическим выкладкам.

Майкл Фарадей вошел в историю науки как один из лучших ученых-экспериментаторов всех времен. Кроме того, он был одним из самых значимых теоретиков XIX века, что оказалось забытым из-за полного отсутствия у него математических знаний; как сказал один его коллега, математика была для него закрытой книгой. Это не исключает его чрезвычайно точных догадок в данной области, как мы видим по одному из его шедевров, «Экспериментальным исследованиям по электричеству». Фарадей никогда не проявлял осторожности, анализируя свои эксперименты, но его окончательные выводы всегда были хорошо подкреплены результатами, полученными в лаборатории.