Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Опыты А.-М. Ампера. Магнитное взаимодействие токов.

Дата: 1820.

Методы: качественное и количественное исследование.

Прямота эксперимента: прямое наблюдение, соотнесение с известными свойствами постоянных магнитов.

Искусственность изучаемых условий: естественные, упрощенные до модельных.

Исследуемые фундаментальные принципы: законы магнитостатики, молекулярно-токовое происхождение ферромагнетизма.

Андре-Мари Ампер (1775–1836) задался вопросом, естественно вытекавшим из исследований Х.К. Эрстеда: если проводник с током отклоняет магнитную стрелку, т.е. ведет себя как магнит, то будет ли он отклонять другой проводник с током? Действительно, магнитная стрелка тоже есть не что иное, как легкий магнит, и ее роль мог бы выполнять легкий и подвижный проводник с током. Между прочим, многие его современники сочли такое обобщение очевидным, когда Ампер заявил о своем открытии — однако, например, железный ключ тоже вызывает отклонение магнитной стрелки, но два таких ключа не притягиваются друг к другу.

Ампер поставил цель найти количественное выражение для силы взаимодействия элементов тока. Элементом тока  называется малый кусочек  контура из тонкого провода, по которому течет ток . В отличие от всего контура, элемент тока не обладает замкнутостью, однако Ампер предполагал, что взаимодействие проводников с током произвольной формы складывается из попарных взаимодействий элементов тока, из которых они состоят. Такой же взгляд на это взаимодействие принят и сейчас.

Подвижный контур abcd, которым в своих опытах Ампер заменил магнитную стрелку Эрстеда, изображен на рисунке справа. Он подвешен на контактах x и y на металлических кронштейнах, к которым подводится ток, и при этом может свободно вращаться относительно вертикальной оси.

Изучая взаимодействие токов с постоянными магнитами и друг с другом, Ампер пришел к следующим выводам:

  1. взаимодействие токов существует только при замкнутых цепях, т.е. когда по обоим контурам течет ток;
  2. параллельные проводники притягиваются, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если в противоположные (это, в некотором смысле слова, противоположно электростатическому притяжению разноименных и отталкиванию одноименных зарядов);
  3. сила взаимодействия двух длинных параллельных проводников с током пропорциональна силам тока в них и обратно пропорциональна расстоянию между ними;
  4. сила магнитного взаимодействия не отличается в воздухе и в пустоте, в то время как сила кулоновского взаимодействия отличается в этих двух случаях.

В том, что сила притяжения длинных параллельных проводников с током обратно пропорциональна расстоянию между ними, Ампер убедился экспериментально с помощью установки, изображенной на рисунке справа. Это, весы, состоящие из неподвижного линейного контура AB с током (см. рис.) и контура CDEF, который может вращаться относительно горизонтальной оси CF. Сила магнитостатического взаимодействия контуров практически полностью определяется взаимодействием линейных проводников AB и DE, поскольку расстояние между ними очень мало. Сила Ампера уравновешивается противовесом W, укрепленным на кронштейне X; кроме того, железная пластинка P на другом конце этого кронштейна фиксирована между двумя постоянными магнитами M. Если вначале, при отключенном токе, уравновесить подвижный контур в положении, в котором его часть DE будет находиться чуть выше AB (как и показано на рисунке), то после включения тока в нужном направлении сила Ампера будет стремиться притянуть проводники друг к другу. Теперь по углу отклонения подвижного контура, определяемому при помощи зеркальца M, можно вычислить величину силы Ампера.

С помощью данного прибора Ампер получил свою формулу для силы взаимодействия контуров в виде:

где  — токи, текущие в проводниках, а  — расстояние между ними. Ток Ампер измерял также с помощью созданного им примитивного прибора, который представлял из себя компас, на который был намотан провод с током. Протекание тока по проводу вызывало отклонение стрелки от положения «север-юг».

Результаты, полученные Ампером в отношении силы взаимодействия элементов тока, вызвали жаркие дискуссии, поскольку предложенное выражение описывало нецентральное взаимодействие, не подчиняющееся, кроме прочего, еще и третьему закону Ньютона. Действительно, сила , действующая со стороны элемента тока  на элемент тока , по закону Ампера равна двойному векторному произведению вида

и только первое слагаемое в фигурных скобках является центральной силой и меняет знак при замене первого заряда на второй и наоборот (тогда соединяющий заряды вектор ). Впоследствии, конечно, физики убедились в том, что для замкнутых контуров (а не элементов тока) третий закон Ньютона соблюдается.

Тем не менее, фактически, Ампер открыл первый релятивистский эффект в электродинамике. Действительно, сила взаимодействия токов имеет порядок по сравнению с силой кулоновского взаимодействия зарядов, поскольку произведение токов выражается через произведение зарядов как

т.е. при малых скоростях зарядов  является величиной второго порядка малости. Наблюдаемым эффект делает лишь тот факт, что в проводнике находится макроскопическое (порядка в ) число свободных носителей заряда, участвующих в текущем в нем токе. И хотя эти заряды и дрейфуют со скоростями не более нескольких миллиметров в секунду, их попарное (!) взаимодействие приводит в сумме к вполне ощутимой силе Ампера. Магнитное взаимодействие отдельных электронов при таких скоростях их движения ненаблюдаемо.

Наконец, необходимо отметить, что исследования привели Ампера к гипотезе о токовой природе постоянных магнитов: в таком магните текут элементарные, молекулярные вихревые токи; он как бы состоит из маленьких контуров с током, и поэтому обладает способностью притягивать опилки, как электромагнит (см. рис.). Это предположение было прорывом во времена Ампера, более того, оно в принципе близко к современному пониманию природы магнетизма. Молекулярные токи Ампера можно ассоциировать с электронами, вращающимися по эллиптическим орбитам атомов. Исследования XX века, однако, показали, что характерный для железа ферромагнетизм (в отличие от диа- и парамагнетизма) имеет место благодаря упорядочению спинов электронов, а не плоскостей их орбит. Тем не менее, гипотеза Ампера сохраняет свою важность, хотя бы потому, что почти все другие ученые его времени, включая Био и Лапласа, придерживались противоположной точки зрения: проводник при прохождении через него тока становится магнитом, а не магнит есть совокупность контуров с током.

Важность открытий Ампера также отмечена в определении единицы измерения силы тока, названной в его честь:

«1Ампер — это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1м силу взаимодействия, равную  ».

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>