Анатолий Томилин - Мир электричества
Опытный станок Ампера
Пока оси этих круговых токов ориентированы беспорядочно внутри тела, магнитные свойства не могут себя проявить, ибо в среднем они компенсируют друг друга. Но стоит всем осям по какой-то причине стать параллельными, выстроившись по ранжиру, – железо и сталь становятся магнитами.
Это была настоящая революция во взглядах на природу магнетизма. Фактически Ампер предлагал отбросить всякое представление о невесомых магнитных субстанциях и заменить их действием электрического тока. Резюмируя сказанное, Ампер писал: «Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум общим фактам. Я показал, что ток, существующий в самом вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительного провода. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки.
Я описал приборы, которые предполагал соорудить, и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты.
Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своими свойствами единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси.
Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям».
Ну, это уж он зря! Да еще так безапелляционно! В зале академии было немало сторонников и убежденных приверженцев гипотезы «магнитной жидкости», легко объясняющей природу магнетизма. Первым со своего места поднялся Жан Батист Био. Он ожесточенно напал на высказанные Ампером предположения и предложил опытом, только опытом доказать истинность новой гипотезы. Био грудью встал на защиту «магнитной жидкости», такой привычной и удобной, а главное, наглядной.
Дело заключалось в том, что в то время, когда Ампер занимался изучением взаимодействия проводников с током, Био вместе с двадцатидевятилетним военным хирургом Феликсом Саваром, увлекшимся физикой, исследовал законы воздействия тока на магнитную стрелку. Результатом этих исследований явился важный закон электродинамики, сформулированный, естественно, в привычных терминах представлений о «магнитных жидкостях», или «магнитных субстанциях». Вот каким он был в первой редакции: «Если неограниченной длины проводник с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих от провода, и общее действие провода на любой – южный или северный – магнитный элемент обратно пропорциональны расстоянию последнего от провода». Трудная формулировка, согласен. Не вдруг и запомнишь. А уж применять ее и того труднее. Но она была первой. И Био ее защищал.
Правда, старый и мудрый Лаплас проанализировал этот обобщенный, интегральный закон и показал, что в случае не бесконечно длинного проводника, а конечного – так называемого элемента тока – сила этого воздействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Получился тот самый дифференциальный закон Био – Савара – Лапласа, который изучают сегодня в школе. Амперу трудно было возражать, поскольку он во многих своих выводах опирался на интуицию. Экспериментальных данных по-прежнему не хватало. Био торжествовал.
Пройдет сорок лет, прежде чем Максвелл сумеет подтвердить правоту Ампера теоретически. А потом уже в ХХ веке американские физики Сэмюэл Джексон Барнетт, Альберт Эйнштейн и нидерландский физик Вандер Йоханнес де Гааз найдут пути экспериментального подтверждения тех выводов, которые сформулировал Максвелл.
Месяц спустя Ампер опять выступил на очередном академическом заседании с сообщением о результатах своих новых опытов. Тем временем немецкий физик Швейггер, использовав открытие Ампера, сконструировал мультипликатор, прибор, в котором магнитная стрелка подвешивалась внутри широкой катушки из изолированной проволоки. Теперь даже слабый ток, проходящий по виткам мультипликатора, позволял экспериментатору наблюдать «эффект Эрстеда». На базе этого прибора капитан итальянской армии, физик Леопольдо Нобили соорудил в 1825 году первый в мире чувствительный гальванометр.
В 1821 году, устав от изнурительных опытов, которые он проводил в собственной квартире на улице Фоссе де Сен-Виктор, за столиком, сделанным своими руками, и с приборами, изготовленными сельским слесарем, Ампер заявил, что переходит к составлению теории. В ней он хотел в ясной математической форме описать и привести к единству все многочисленные результаты опытов и электродинамические явления.
Нельзя сказать, чтобы теория Ампера, несмотря на ее математическую строгость, вызвала всеобщее воодушевление среди физиков и была сразу и повсеместно принята как руководство к дальнейшим исследованиям. Отнюдь! Прежде всего путаные описания Ампера сильно уступали в строгости его математическим выводам. Но главной причиной было то, что Ампер отбрасывал такие привычные для всех понятия, как магнитные жидкости, заполняющие тела. Он сводил все явления взаимодействия магнитных тел только к «вольтаическим токам». Эти токи окружали, по его мнению, частицы металла чуть ли не наподобие декартовых вихрей, что в эпоху Ньютона было отринуто большинством ученых…
«Наш великий Ампер…»
Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 года в городе Лионе, в семье Жан Жака Ампера и Жанны Антуанетты Сарсей де Сютьер и с детства не обладал завидным здоровьем. Отец его вскоре переселился в небольшое имение близ Лиона. И здесь у Андре стали одна за другой раскрываться способности. Например, он считал, не зная цифр и не умея писать. При этом он пользовался камешками, бобами. А когда у него их отнимали – сухариками…
Многим может показаться удивительной игра ребенка в арифметические вычисления. Но Араго в биографии Ампера пишет: «Я знаю, правда, не школьника, но отличного ученого, который в наших академических заседаниях часто перемножает большие числа; однажды я удивился его занятиям, и мой товарищ сказал: «Вы забываете удовольствие, которое я испытываю, когда деление не открывает ошибки в моем умножении».
В конце концов такое занятие ничем не отличается от разгадывания кроссвордов, пасьянса или рисования квадратиков на листе бумаги. Разве что требует чуть большего воображения.
Научившись читать, Ампер обнаружил в отцовской библиотеке двадцатитомную «Энциклопедию» и прочел все статьи в алфавитном порядке, от корки до корки. Детская память крепка. Много лет спустя, уже в зрелом возрасте, Ампер часто поражал друзей своей эрудицией и осведомленностью в самых разных областях знаний.
Прочитав в «Энциклопедии» легенду о Вавилонской башне, о том, как Бог смешал языки, чтобы люди перестали понимать друг друга и никогда бы не достроили башню до неба, Ампер решил восстановить единый язык человечества и «изобрел» некий всеобщий язык, написал его грамматику и словарь и даже сочинил поэму на этом языке. Причем многие, слышавшие ее, утверждали, что новый язык Ампера отличался благозвучием и красотой.
В 1793 году Амперов постигло несчастье. Глава семейства, занимавший должность мирового судьи в Лионе, был в ходе революционных событий казнен как аристократ и враг народа. Восемнадцатилетний сын его тяжко переживал смерть отца. Казалось, он потерял рассудок. Более года он был абсолютно безучастным ко всему происходящему вокруг него. Оставаясь немым, «смотрел на окружающее без глаз и без мысли».
Но однажды в руки Ампера попала книга Жан Жака Руссо «Письма о ботанике» и несколько стихов Горация, и он вдруг ожил. В юноше пробудилась задремавшая было любознательность. С прежней страстью принялся он за изучение латинского языка, античных поэтов и. ботаники. Впрочем, продолжалось это увлечение недолго, и скоро Андре Мари снова вернулся к математике. В Лионе образовался дружеский кружок из любознательных молодых людей, собиравшихся для того, чтобы обсудить волновавшие умы научные проблемы.
Ампер был чрезвычайно близорук. Даже близкие предметы казались ему размытыми тенями и красота окружающего мира была недоступна. Так продолжалось до того момента, пока однажды в дорожной карете он, по рассеянности, не взял в руки очки случайного спутника и не водрузил их себе на нос… Неожиданно они оказались ему впору. Трудно описать восторг, охвативший молодого человека. Немало неприятностей доставляла Амперу его рассеянность. Так, однажды, прогуливаясь по берегу реки и размышляя над тем, как определять направление отклонений магнитной стрелки протекающим током, он заметил веселую компанию мальчишек, купавшихся в Сене. Двое из них плыли по течению рядом, переговариваясь друг с другом. И Амперу пришла вдруг в голову мысль о простом правиле. Пловец, направляясь по течению, имеет справа соответственно правый берег, а если тот же пловец повернет обратно… «Прекрасная идея! – подумал ученый. – Назовем это «правилом пловца» и применим к нашим токам. Если смотреть по направлению тока, стрелка компаса должна отклоняться вправо. Если стать с компасом навстречу току, то – наоборот… Браво Андре!.. Вот только как это будет выглядеть математически? Хорошо бы прямо сейчас это и записать… Ампер близоруко огляделся, очки он, как обычно, забыл куда положил. И вдруг увидел рядом свою черную доску, на которой обычно дома делал математические выкладки. Он тут же забыл о том, что гуляет. Парижане – сдержанная публика, они готовы понять и простить чудачества. Но не тогда, когда это наносит ущерб чьей-то собственности. А тут – пожилой, плохо одетый господин, не обращая ни на кого внимания, самозабвенно пачкает заднюю стенку чьей-то кареты мелом, расписывая ее формулами.
