Всё вокруг нас пронизано электромагнитными полями. Например, они возникают при включении утюга, фена или холодильника из-за протекания тока в проводах. А чтобы эти приборы могли в принципе работать, требуется электроэнергия: она вырабатывается на электростанции при помощи генератора. Даже эту статью вы не смогли бы сейчас прочитать, если бы человечество не использовало электромагнетизм — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе.

Все благодаря плеяде великих ученых, которые изучали это явление 200 с лишним лет назад. Один из них — Андре-Мари Ампер. Посмотрим на его жизнь, фундаментальные открытия и наследие. Спойлер: прямо по заветам Хокинга в статье не будет формул. 

Что было до Ампера

В начале 19 века, когда Ампер провел серию своих знаменитых экспериментов, электричество и магнетизм по отдельности были достаточно хорошо описаны. Но почти никому в голову не приходило, что эти явления могут быть связаны

Магнетизм впервые упоминается еще в VIII веке до н. э. древними греками, когда был обнаружен магнетит — руда, способная притягивать металлы. Ее природа оставалась неизвестной, однако это не помешало китайским и европейским мореплавателям использовать магнетиты в компасах. 

Что касается электричества, то с ним все было еще проще — не нужно было находить никаких руд, достаточно посмотреть наверх в непогоду. Еще в 600 году до н.э. Фалес Милетский заметил, что если натирать янтарь мехом, то к нему начинают притягиваться пылинки. А в некоторых случаях даже проскакивает искра, прямо как молния на небе. 

Электрические явления исследовались целым рядом ученых вплоть до конца 18 века. Вот некоторые из знаковых работ:

• Английский врач и ученый Уильям Гилберт в трактате «Де Магнето» 1600 года описал как магнитные свойства Земли, так и базовые свойства статического электричества. Книга во многом опередила свое время, но в ней автор четко различал электричество и магнетизм. Ведь наэлектризованные материалы вроде янтаря или стекла притягивают любые предметы, тогда как магнетит — только железо.

• Философ и алхимик Роберт Бойль в 1661 году обнаружил, что наэлектризованные тела притягиваются даже в вакууме. Это означало, что механизм передачи не связан с воздухом. Кстати, разряжение он создавал при помощи одного из первых вакуумных насосов, в разработке которого участвовал. 

• В 1706 году Фрэнсис Хоксби создал первую машину, способную производить электричество — электростатический генератор, использовавшийся во многих последующих опытах. В основе конструкции лежал стеклянный шар, который вручную вращался и терся о шерсть. На протяжении 18 века эта конструкция неоднократно улучшалась, пока в 1784 году не появилась вершина мастерства того времени — большой генератор Ван Марума. 

• Эвальд Георг фон Клейст в 1744 году создал первый конденсатор — лейденскую банку, способную накапливать электрический заряд, вырабатываемый электростатическими генераторами. 

• В 1784 году Шарль Кулон провел опыт по измерению силы электростатического взаимодействия между двумя телами, обладающими зарядами. Сила оказалась пропорциональна заряду и обратно пропорциональна квадрату расстояния — первый фундаментальный закон, касающийся электричества. 

• В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первую электрическую батарею, основываясь на опытах Гальвани — позже она получила название «гальванической». Причем Вольта получал электричество не за счет трения или отвода молнии (привет, Бенджамин Франклин), а благодаря химической реакции двух разных металлов. По сути, электричество появлялось буквально из ниоткуда.

В общем, исследований хватало. Однако важно другое: к началу 19 века связь между магнетизмом и электричеством не была установлена. Все обнаруженные явления считались результатом действия особых жидкостей  — их называли «флюидами». Вот что об этом писал в 1759 году один из ведущих теоретиков того времени, Франц Эпинус, в своем трактате Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism:

«Есть жидкость, отвечающая за любые магнитные явления — очень тонкая, поэтому она проходит даже через человеческую кожу. Она чем-то напоминает электрическую жидкость, но их не следует путать. Например, части магнитной жидкости также отталкиваются друг от друга. Но при этом она проявляет себя в отношении только некоторых материалов вроде железа».

У многих были сомнения в подобной теории. Первым сумел обнаружить связь между электрическими и магнитными явлениями датский ученый Ганс Христиан Эрстед. В 1820 году он поместил магнитную стрелку компаса возле проволоки, которая была подключена к столбу Вольты. Какого же было удивление экспериментатора, когда при протекании тока стрелка начала отклоняться от привычного направления? 

Опыт Эрстеда убедительно показал, что связь есть. Но как это можно объяснить? Вот тут на сцену и выходит Андре-Мари Ампер, архитектор электромагнетизма. 

Как Ампер пришел к открытию

Давайте немного познакомимся с главным героем. Он родился в 1775 году в зажиточной семье купца Жан-Жака Ампера в городе Лион. То время историки называют эпохой Просвещения — выдающиеся мыслители вроде Жан-Жака Руссо и Вольтера провозгласили торжество логики и науки вопреки мраку клерикализма. 

Отец Ампера был ярым приверженцем этого подхода, поэтому пошел по интересному пути: мальчик не посещал школу с ее убогими церковными устоями, а получил образование в домашней библиотеке. Там он познакомился с работами видных писателей и философов вроде Дидро и Руссо, но главной страстью Андре-Мари на многие годы стала наука. 

В 1789 году случилась Великая Французская революция, и новое правительство призвало Жан-Жака Ампера стать мировым судьей — тем более он горячо приветствовал смену власти. Но в 1792 году, с приходом якобинцев, отца Андре-Мари обвинили в реставрации старого режима и казнили на гильотине 24 ноября 1793 года. Это событие сильно пошатнуло веру будущего ученого в любые авторитеты.

На свою первую постоянную работу Ампер устроился в 1799 году в качестве скромного учителя математики. Он женился, а через год у пары появился ребенок, которого назвали в честь дедушки Жан-Жаком. К слову, он стал очень известным филологом и членом Академии наук.  

В 1802 году Ампер был назначен профессором физики и химии в Центральной школе Бурк-ан-Бресе. А в 1804 году он стал преподавателем основанной Наполеоном «Политехнической школы» — ведущей кузницы инженеров и ученых в стране. Именно там Андре-Мари стал серьезно заниматься наукой, причем все его исследования поначалу вообще не касались электромагнетизма. Например: 

• в 1803 году написал трактат «Соображения по математической теории игр», очень высоко отмеченный коллегами. 

• В 1811 году, независимо от Авогадро, предположил, что «равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул». В литературе этот принцип иногда даже называют гипотезой Авогадро-Ампера.

• К 1820 году описал дифференциальное уравнение с частными производными 2-го порядка — оно получило название уравнение Монжа-Ампера. 

Благодаря столь разносторонней работе Ампер стал членом Французской академии наук. Но когда же он добрался до электромагнетизма? 

В 1820 году Эрстед продемонстрировал свои эксперименты публике, а позже  опубликовал результаты в работе «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Месяц спустя эксперимент датчанина повторил физик Огюст де ла Рив в Женеве, при большом стечении народа. Один из зрителей — математик Франсуа Араго, друг Ампера — по возвращении в Париж воспроизвел опыты Эрстеда в Академии наук. Примечательно, что перед демонстрацией он сказал:

«Дамы и господа! Профессор Эрстед сделал невероятное, удивительное открытие. <...> По моему мнению, это событие перевернет науку, и мы сейчас даже не в состоянии оценить масштаб этих событий». 

Зато смог оценить Андре-Мари Ампер. Он начал с того, что решил повторить опыт Эрстеда и разобраться во всем подробнее. Прежде всего Ампер определил, что статическое электричество не вызывает отклонение магнитной стрелки — то есть разгадка кроется именно в протекании тока. С чем это может быть связано?

Сначала он поменял местами в эксперименте движущиеся части: сделал так, что вращался проводник с током, а не магнитная стрелка. Получилось, что явление работает в обе стороны. 

А что, если вообще убрать постоянный магнит и проверить, как будут взаимодействовать два проводника с током? Для этого Ампер модернизировал установку, поместив ее в стеклянную колбу, чтобы исключить воздействие воздуха. На рисунке ниже контур ECDF — свободно вращающаяся вокруг оси OZ проводящая рамка, а AB — покоящийся проводник. По обоим контурам протекают токи от двух столбов Вольта. 

Удивлению Ампера не было предела, когда рамка отклонилась при протекании тока по обоим проводникам. Если токи протекали параллельно, то рамка отталкивалась, словно одноименные полюса магнита. Если менялось подключение одного из проводников на противоположное  — рамка притягивалась. Это сейчас такой опыт не может удивить даже семиклассника, а в то время это было сродни шоку. 

Дополнительно Ампер убедился, что эффект проявляется по всей длине проводника. Для этого он подносил магнитную стрелку и наблюдал, как меняется ее ориентация вдоль линий магнитной индукции, напоминающих концентрические окружности перпендикулярно проводнику. 

18 сентября 1820 года, спустя неделю после начала экспериментов, Андре-Мари выступил с докладом перед коллегами из Академии наук, описав в подробностях свои эксперименты. Закончил он фразой: «Так что любые проявления магнетизма я свожу исключительно к протеканию электрического тока». Получалось, что дело вообще не в постоянном магните: ток порождает магнитное поле, а никаких магнитных и электрических жидкостей не существует.

В тот момент из зала спросили (в духе комментариев на Хабре): «А чем ваш опыт кардинально отличается от эксперимента Эрстеда? Очевидно, что если проводник с током влияет на магнит, то и друг на друга проводники тоже должны влиять, нет?». На что Араго, друг Ампера, произнес:

«Видите два ключа у меня в руке? Каждый из них тоже оказывает действие на магнитную стрелку. Но друг на друга они не влияют, не находите?»

Ампер пошел дальше и провел еще серию экспериментов. Если вокруг проводника образуются круговые линии магнитной индукции, то что произойдет, если свернуть проводник в кольцо? Разве не будет магнитное поле усиливаться, образуя выраженные магнитные полюса? В тот момент Ампер придумал соленоид.

Для проверки теории о том, что это вообще будет работать, Андре-Мари решил превратить проводник с током в компас и проверить, будет ли он отталкиваться от магнитного поля Земли. 

После этого Ампер провел измерения, проанализировал данные по всем экспериментам и пришел к следующим выводам:

• Два параллельных проводника притягиваются друг к другу или отталкиваются с определенной силой. Она прямо пропорциональна значению токов и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

• Направление магнитного поля можно определить по правилу правой руки: если большой палец смотрит вдоль проводника с током, то остальные четыре пальца покажут искомое направление. 

• Маленькие токи в каждом витке проводника порождают магнитные поля, которые складываются по принципу суперпозиции. 

Ампер выступил с повторным докладом по соленоидам спустя всего неделю после предыдущего, 25 сентября 1820 года. Итого на все опыты ушло каких-то две недели.

На протяжении следующих семи лет Андре-Мари Ампер продолжал работу, выпуская все больше теоретических работ. В 1822 году ученый впервые сформулировал гипотезу, согласно которой любой постоянный магнит состоит из множества маленьких плоских магнитов, которые порождаются внутренними молекулярными микротоками. Примерно как в его эксперименте с соленоидом и суммированием магнитной индукции каждого витка. Можно сказать, что Ампер описал магнитные диполи.

В 1826 году Андре-Мари сформулировал теорему о циркуляции магнитного поля, основанную на своих предыдущих исследованиях: «Циркуляция магнитного поля постоянных токов по любому замкнутому контуру пропорциональна сумме сил токов, пронизывающих контур циркуляции».

В 1827 году вышла главная для всей жизни ученого книга: «Мемуары о математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенных из опыта», в которой Ампер подвел итоги всех своих исследований и впервые употребил термин «Электродинамика». 

Наследие Ампера

После публикации мемуаров Ампер сосредоточился на преподавательской деятельности и классификации наук, прекратив исследования электромагнетизма. На тот момент ему выделили должность профессора кафедры физики в старейшем учебном заведении Франции — Коллеж де Франс. Именно там он и продолжал работу вплоть до 1834 года, когда вышел на пенсию. 

Великий ученый умер 10 июня 1836 года в Марселе от пневмонии в возрасте 61 года. Некоторые важные исследования в области электромагнетизма он успел застать — например: 

• В 1820 году, параллельно с работой самого Ампера, его коллеги Жан-Батист Био (выдающийся ученый, член Академии наук) и Феликс Савар получили экспериментальные данные. На их основе Лаплас вывел формулу для нахождения вектора индукции магнитного поля. Закон получил название Био-Савара-Лапласа и стал чем-то базовым вроде закона Кулона в электростатике. 

• В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, когда вращающийся вокруг катушки с проводником магнит приводил к появлению ЭДС в ней. По сути, появился первый электрогенератор.

Но самый главный прорыв в области теории электродинамики произошел через 30 лет после смерти Ампера, когда Джеймс Максвелл опубликовал свою статью 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля». Основываясь на опытах не только Ампера, Био, Савара и Фарадея, но и теоретических работах Вебера и Гаусса, Максвелл ввел понятие электромагнитного поля, а также описал его с помощью системы уравнений. По сути, любой экспериментальный закон прошлого теперь можно было вывести с их помощью. 

Работа Максвелла по праву считается одной из самых важных в XIX веке, на ее основе строились исследования Герца, Лоренца, Эйнштейна и многих других. Но это уже темы для других статей. 

Чтобы увековечить имя Андре-Мари Ампера, на Международной электрической выставке в 1881 году единицу силы тока предложили назвать в его честь. В 1893 году ее официально утвердили: 1 ампер равнялся такой силе тока, при которой за секунду из раствора нитрата серебра произошло бы электрохимическое осаждение 0,0001118 граммов осадка. Правда, с текущими изменениями 2019 года в СИ это уже не так. 

Сейчас сложно себе представить, что бы мы делали без электромагнетизма. И лучше всего роль Ампера в становлении электродинамики сформулировал его самый большой поклонник — Джеймс Максвелл:

«Экспериментальное исследование, посредством которого Ампер установил закон взаимодействия электрических токов, представляет собой одно из самых блестящих достижений науки. Вся теория и эксперимент словно выскочили из мозга «Ньютона электричества». Его работа совершенна по форме, безупречна по точности и выражена в формуле, из которой можно вывести все явления и которая всегда должна оставаться основной формулой электродинамики».

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.