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:
- взаимодействие токов существует только при замкнутых цепях, т.е. когда по обоим контурам течет
ток;
- 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);
- сила взаимодействия двух длинных параллельных проводников с током
пропорциональна силам тока в них и обратно пропорциональна расстоянию между
ними;
- 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>>
|
|