Важнейшие открытия в магнетизме

История физики: электромагнетизм.

Горяев М.А.

В 18 веке продолжались работы по электризации тел, начатые Гильбертом. Многочисленные эксперименты, проведенные  в различных лабораториях, позволили  обнаружить не только новые материалы, способные электризоваться при  трении, но и открыть ряд новых  свойств этого явления. Англичанин Стивен Грей (1670-1735) показал, что электричество  может распространяться по некоторым  телам, т.е. ввел понятия проводника и изолятора. Были усовершенствованы  устройства для получения электричества - электростатические машины, созданы  конденсаторы (лейденская банка).

Интерес к новым явлениям широко распространялся в обществе благодаря различным фокусам  и демонстрациям на публике. Систематические  исследования с электрическими явлениями  провел Франклин и сформулировал  в 1747 г. свою теорию с использованием понятия электрического флюида, избыток  или недостаток которого обусловливает  электризацию тел.

Франклин Бенджамин (17.01.1706-17.04.1790) – американский физик, член Лондонского  королевского общества (1756), Петербургской  АН (1789), видный политический и общественный деятель, медаль Копли (1753). Родился  в Бостоне в семье предпринимателя. Образование получил самостоятельно. В 1727 организовал в Филадельфии  собственную типографию, в 1731 – первую в Америке публичную библиотеку, в 1743 – американское философское  общество (первое в Америке научно-исследовательское  учреждение), в 1751 – Пенсильванский университет. 1737-53 – почтмейстер  Пенсильвании, 1753-74 – североамериканских колоний. Участвовал в составлении  “Декларации независимости” и конституции  США.

В 1746-54 провел экспериментальные  исследования по электричеству, объяснил действие лейденской банки, построил первый плоский конденсатор, изобрел в 1750 молниеотвод, доказал в 1753 тождественность  земного и атмосферного электричества, электрическую природу молнии. Разработал (1750) теорию электрических явлений, ввел понятия положительного и отрицательного электричества. Исследовал вопросы  теплопроводности металлов, распространения  звука в воздухе и воде. Автор  ряда изобретений (применение искры  для взрыва пороха и др.).

Работы Франклина Лондонское королевское общество признало недостойными публикации, и они были опубликованы его другом английским физиком Питером  Коллинсоном (1694-1768) за свой счет. Успех  публикации был огромен, а после  того, как в 1752 г. был реализован его  эксперимент с молниеотводом, подтверждающий эквивалентность электрической  искры и молнии, научный энтузиазм  к исследованию электрических явлений  распространился очень широко. Королевское  общество в 1753 г. присудило Франклину  Коплеевскую медаль, а в 1756 г. избрало  своим членом.

Общая, уже сложившаяся  к тому времени методология научных  исследований требовала количественных измерений. И основателем электрической  метрологии был Вольта, который также  сконструировал весьма точные электрометры.

Вольта Алессандро (18.02.1745-05.03.1827) – итальянский физик, химик и  физиолог, член Лондонского королевского общества и Парижской АН, медаль Копли (1794). Родился в Комо в знатной  дворянской семье. Учился в школе  ордена иезуитов. В 1774-79 преподавал физику в гимназии в Комо, с 1779 – профессор  Павийского университета, в 1815-19 – директор философского факультета Падуанского  университета.

Работы в области электричества, молекулярной физики. Развил теорию лейденской банки (1769), построил смоляной электрофор (1775), электроскоп с соломинками (1781), конденсатор (1783), электрометр и другие приборы, описал действие телеграфа. В 1792 начал повторять опыты Л.Гальвани с “животным” электричеством и  пришел к выводу, что причиной кратковременного тока является наличие цепи из двух классов разнородных проводников (двух металлов и жидкости). В конце 1799 сконструировал первый источник длительного  гальванического тока – вольтов  столб. Открыл (1795) взаимную электризацию разнородных металлов при контакте и составил ряд напряжений для  металлов (1801). Исследовал тепловое расширение воздуха, наблюдал диффузию, установил  проводимость пламени (1787). Обнаружил  метан (1776) и объяснил его образование  разложением животных и растительных останков.

Его именем названа единица  напряжения - вольт.

Блестящие исследования в  области электричества провел Кулон.

Кулон Шарль Огюст (14.06.1736-23.08.1806) – французский физик и военный  инженер, член Парижской АН (1803). Родился  в Ангулеме в семье чиновника. Окончил военно-инженерную школу  в Мезьере (1761), после чего несколько  лет находился на военной службе на Мартинике, где руководил строительством флота. После возвращения во Францию  служил в военно-инженерном корпусе, уделяя со временем все больше внимания научным исследованиям.

Работы в области механики, электричества и магнетизма. Первая научная работа, начатая еще на Мартинике, "О приложении правил максимумов и минимумов к некоторым  проблемам статики, относящимся  к архитектуре" определила прогресс строительной механики 18-19 веков. Сформулировал  в 1781 законы трения скольжения и качения. Исследовал и сконструировал в 1784 крутильные весы, с помощью которых в 1785 установил  основной закон электростатики, а  в 1788 распространил его на взаимодействия магнитных полюсов. Выдвинул гипотезу магнетизма, по которой магнитные жидкости не свободны, а связаны с отдельными молекулами, поляризующимися в процессе намагничивания. Сконструировал магнетометр (1785).

Его именем названа единица  заряда - кулон.

Кулон сконструировал крутильные весы высокой чувствительности, установив  предварительно, что сила закручивания нити зависит от вещества нити, пропорциональна  углу закручивания и четвертой степени  диаметра нити и обратно пропорциональна  ее длине. С помощью этих весов  Кулон экспериментально установил, что силы притяжения и отталкивания зарядов обратно пропорциональны  квадратам расстояний. Кулоном же была постулирована пропорциональность силы взаимодействия произведению электрических  зарядов, т.е. за 4 года интенсивной работы с 1785 по 1789 г. им был заложен фундамент  современной электростатики. Поскольку  электростатические силы так же зависят  от расстояния, как и ньтоновские, то здесь можно использовать все  свойства ньютоновских сил, найденные  в теоретической механике.

Следует отметить, что используя  также крутильные весы, Кавендиш в 1798 г. доказал справедливость закона тяготения  для обычных (не небесных) тел.

Кавендиш Генри (10.10.1731-24.02.1810) – английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1760). Родился в Ницце в семье  лорда. В 1749-53 учился в Кембриджском университете. Большую часть жизни  провел в одиночестве, полностью  отдаваясь научной работе в собственной  лаборатории.

Публиковал только те статьи, в которых был полностью уверен, из-за чего многие работы по электричеству  оставались неизвестными. Изданные в 1879 Дж. Максвеллом эти работы показали, что еще в 1771 он пришел к выводу об обратной пропорциональности силы электростатического взаимодействия квадрату расстояния. Ввел понятие  электроемкости, открыл влияние среды  на емкость конденсатора и определил  диэлектрическую проницаемость  ряда веществ. В 1798 измерил гравитационную силу притяжения двух небольших сфер, определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность  Земли. Получил в 1766 водород и  определил его свойства, установил  состав воды и показал, что ее можно  получить искусственным путем, определил  содержание кислорода в воздухе (1781).

С первых же случаев поражения  электрическим разрядом возникли предположения  о "животном электричестве", регуляторе жизни животных. В 1773 г. появился мемуар Джона Уолша об электрическом  скате, а у физиологов возникла гипотеза о "животной эссенции", которая  подобно электрическому флюиду ответственна за перенос нервных сигналов.

Профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737-1798) провел электро-физиологические опыты и  пришел к выводу об одинаковом эффекте  сокращения мышц лягушки от физиологического и электрического воздействия. Результаты поразили Вольта, особое внимание которого привлекла одна особенность гальванического  опыта: передача сигнала для сокращения мышцы проводниками однородными  или составленными из разных металлов осуществлялась по-разному.

Вольта вначале провел опыт с обнаружением кисловатого  вкуса на языке, если к кончику  его прикладывать один конец, а к  середине - другой конец дуги, составленной из разных металлов. Затем он приступил  к чисто физическим исследованиям  контактного электричества и  получил закон контактных напряжений, расположив металлы в "ряд напряжений". В итоге Вольта изобрел новый  прибор, который сначала назвал "искусственным  электрическим органом", а потом "электродвижущим аппаратом". Французы позже стали называть его "гальваническим или вольтовым  столбом".

Изобретение гальванических элементов (гораздо более удобных  электрических источников, чем электростатические машины) существенно расширило круг исследований по электричеству. Прежде всего, была показана идентичность электрического и гальванического "флюидов", разница  между которыми сначала проявлялась  в ряде физиологических и химических процессов (электрический удар, химическое действие тока и т.п.).

Уже после первых исследований в области электричества и  магнетизма возникали предположения  о связи между ними. Поиски этой связи интенсифицировались после  открытия законов Кулона. Решающий эксперимент в этой области в 1820 г. поставил Эрстед, который обнаружил  отклонение магнитной стрелки проводником  с током.

Эрстед Ханс Кристиан (14.08.1777–09.03.1851) – датский физик, непременный  секретарь Датского королевского общества (с 1815), почетный член Петербургской (1830) и других академий наук. Родился  в Рудкёбинге в семье аптекаря. Окончил Копенгагенский университет: диплом фармацевта (1797), степень доктора (1799). С 1806 – профессор этого университета, с 1829 одновременно директор Копенгагенской политехнической школы.

Работы в области электричества, акустики, молекулярной физики. Для  научного творчества Эрстеда характерен поиск взаимосвязи между различными явлениями природы. Обнаружение  им действия электрического тока на магнитную  стрелку привело к возникновению  новой области физики – электромагнетизма. В 1822-23 независимо от Ж.Фурье переоткрыл термоэлектрический эффект и построил первый термоэлемент. Экспериментально изучал сжимаемость и упругость  жидкостей и газов, изобрел пьезометр.

Был блестящим лектором и  популяризатором, организовал в 1824 Общество по распространению естествознания, создал первую в Дании физическую лабораторию.

Его именем названа единица  напряженности магнитного поля - эрстед.

Следует отметить один важный факт в опыте Эрстеда: обнаруженный эффект не вписывался в ньютоновскую концепцию взаимодействия, где все  силы были центральными. В том же 1820 году французские физики Био и  Феликс Савар (1791-1836) экспериментально исследовали зависимость величины магнитного поля от расстояния от проводника с током до точки наблюдения. Однако такой зависимости в общем  виде им получить не удалось. Эта задача была решена Лапласом и полученный им общий закон носит название закона Био-Савара-Лапласа.

Одновременно Ампер открыл взаимодействие токов, которое он назвал электродинамическим.

Ампер Андре Мари (22.01.1775–10.06.1836) – французский физик, математик  и химик, член Парижской (1814), Петербургской (1830) и других академий наук. Родился  в Лионе в семье коммерсанта. Получил домашнее образование. В 1801 стал преподавать физику и химию  в центральной школе г. Бурга. В 1805-24 работал в Политехнической  школе в Париже (с 1809 – профессор), с 1824 – профессор Коллеж де Франс.

Физические работы посвящены  электромагнетизму. Установил закон  взаимодействия электрических токов (закон Ампера), разработал теорию магнетизма. Согласно этой теории все магнитные  взаимодействия сводятся к взаимодействию круговых электрических молекулярных токов, каждый из которых эквивалентен плоскому магниту – магнитному листку. Ампер впервые указал на тесную связь  между электрическими и магнитными процессами. Открыл (1822) магнитный эффект катушки с током – соленоида, который является эквивалентом постоянного  магнита, выдвинул идею усиления магнитного поля путем помещения внутрь соленоида  железного сердечника. В 1820 предложил  использовать электромагнитные явления  для передачи сигналов, изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф. Сформулировал  понятие “кинематика”, проводил исследования в области философии и ботаники.

Его именем названа единица  тока - ампер.

Ампер также предложил  гипотезу, согласно которой магнит представляет собой совокупность токов, и вывел формулу взаимодействия элементов тока. Развитая им теория позволяла объяснить различные  виды взаимодействия: магнитостатические, электромагнитные и электродинамические. Проведенные Эрстедом, Ампером и  другими учеными исследования действия магнитов на проводники с током и  обнаруженное в 1821 г. Фарадеем вращение проводника с током в магнитном  поле легли в основу создания гальванометров, которые в различных модификациях широко использовались при исследовании электромагнитных явлений.

Фарадей Майкл (22.09.1791–25.08.1867) – английский физик, член Лондонского  королевского общества (1824), Петербургской  АН (1830). Родился в Лондоне в  семье кузнеца. С 12 лет работал  разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Учился самостоятельно. В 1813 стал ассистентом  Г.Дэви в Королевском институте  в Лондоне, в 1825 – директором лаборатории, сменив на этом посту Г.Дэви, в 1833-62 –  профессор кафедры химии.

Работы в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Открытое Фарадеем вращение магнита  вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита стало  основой лабораторной модели электродвигателя и наглядно выявило связь между  электрическими и магнитными явлениями, что в итоге привело к открытию и установлению законов электромагнитной индукции. Открыл в 1835 экстратоки при  замыкании и размыкании. Доказал  тождественность различных видов  электричества: “животного”, “магнитного”, гальванического, термоэлектричества и электричества, возникающего при  трении. В результате работ по исследованию природы электрического тока в растворах  кислот, солей и щелочей открыл в 1833 законы электролиза (законы Фарадея), которые были важным аргументом в  пользу дискретности электричества. Ввел понятия подвижность, катод, анод, ионы, электролиз, электролиты, электроды, иэобрел  вольтметр. В 1845 открыл диамагнетизм, в 1847 – парамагнетизм. Обнаружил вращение плоскости поляризации света  в магнитном поле (эффект Фарадея), что явилось доказательством  связи света с магнетизмом  и положило начало магнитооптике.