Труды Ампера и их влияние на развитие электроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Институт КПМТО

Кафедра «Технология машиностроения»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «История развития электротехники»

Труды Ампера и их влияние на развитие электроэнергетики

2015

Содержание

• Введение
• 1. Начало научной деятельности учёного
• 2. Электродинамика Ампера
• 3. Труды Ампера в других областях знаний
• Заключение
• Список использованной литературы
• 
• Введение
• Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампера (1775-1836), заложившего основы электродинамики. А. Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на слабое здоровье, он неустанно занимался фундаментальными научными исследованиями и внес немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации. Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. При изучении этих явлений ярко проявились феноменальные способности А. Ампера.
• В данной работе рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма. Прежде всего, отметим, что А. Ампером были введены термин «электрический ток» и понятие «направление электрического тока».
• Особенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами.
• В работе были использованы следующие литературные источники:

1. Очерки по истории электротехники, авторы О. Н. Веселовский, Я. А. Шнейберг. В книге излагаются основные этапы развития электротехники, раскрываются ее сложные взаимосвязи с социальными, экономическими, экологическими процессами. Рассказывается об установлении важнейших законов электротехники, об истории развития электрических машин, трансформаторов и многих других электротехнических устройств и приборов, о зарождении и развитии электроники.

2. История физики, автор - М. Льоцци. В книге имеется глава, посвященная электродинамике Ампера, в которой проведен анализ его деятельности в области электродинамики, его вклад в этот раздел электротехники.

3. Титаны электротехники: очерки жизни и творчества, автор - Я. А. Шнейберг.

Книга посвящена жизни и творческой деятельности большой когорты выдающихся ученых и инженеров начала XIX - середины XX вв., заложивших основы электротехники и электроэнергетики, открывших дорогу современной электрификации. Их имена известны всему миру, многие из них навечно вписаны в историю человечества в названиях общепринятых электрических и магнитных единиц. Поразительно, что до сих пор их открытия и изобретения представляют не только исторический, но и практический интерес.

Сведения о жизни замечательного ученого дополнены из книг Белькинда Л.Д. Андре-Мари Ампер, 1775-1836; Ампер А.М. Электродинамика; Голина Г.М., Филоновича С.Р. Классики физической науки (С древнейших времен до начала ХХ века).

Сведения о работе великого ученого взяты из мемуаров Л. Нобеля "О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта».

1. Начало научной деятельности учёного

Андре-Мари Ампер родился 20 января 1775 года в Лионе в семье образованного коммерсанта.

Отец его вскоре переселился с семьёй в имение Полемье, расположенное в окрестностях Лиона, и лично руководил воспитанием сына. Уже к 14 годам Ампер прочитал все 20 томов знаменитой «Энциклопедии» Дидро и д'Аламбера. Проявляя с детства большую склонность к математическим наукам, Ампер к 18 годам в совершенстве изучил основные труды Эйлера, Бернулли и Лагранжа. К тому времени он хорошо владел латынью, греческим и итальянским языками. Иными словами, Ампер получил глубокое и энциклопедическое образование.

В 1793 году в Лионе вспыхнул контрреволюционный мятеж. Отец Ампера - жирондист, исполнявший обязанности судьи при мятежниках, после подавления мятежа был казнён как сообщник аристократов. Имущество его было конфисковано.

Юный Ампер начал свою трудовую деятельность с частных уроков. В 1801 году он занял должность преподавателя физики и химии центральной школы в городе Бурге. Здесь он написал первый научный труд, посвящённый теории вероятности «Опыт математической теории игры». Эта работа привлекла внимание д'Аламбера и Лапласа. И Ампер стал преподавать математику и астрономию в Лионском лицее.

В 1805 году Ампер был назначен репетитором по математике в знаменитой Политехнической школе в Париже и с 1809 года заведовал кафедрой высшей математики и механики. В этот период Ампер публикует ряд математических трудов по теории рядов. В 1813 году его избирают членом Института (т.е. Парижской Академии наук) на место скончавшегося Лагранжа. Вскоре после избрания Ампер доложил в Академию своё исследование о преломлении света. К этому же времени относятся его знаменитое “Письмо к г.Бертолле”, в котором Ампер сформулировал открытый им независимо от Авогадро химический закон, именуемый ныне законом Авогадро-Ампера.

В 1816 году Ампер опубликовал свою классификацию химических элементов, первую в истории химии серьёзную попытку расположить химические элементы по их сходству между собой. Открытие Эрстедом в 1820 году действия электрического тока на магнитную стрелку привлекает внимание Ампера к явлениям электромагнетизма. Ампер ставит многочисленные опыты, изобретает для этой цели сложные приборы, которые изготавливает за свой счёт, что сильно подрывает его материальное положение.

С 1820 по 1826 год Ампер опубликовал ряд теоретических и экспериментальных трудов по электродинамике и почти еженедельно выступал с докладами к Академии наук. В 1822 году он выпустил «Сборник наблюдений по электромагнетизму», в 1823 году - «Конспект теории электродинамических явлений» и, наконец, в 1826 году - знаменитую «Теорию электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта».

Ампер получает всемирную известность как выдающийся физик. Представления о связи между электричеством и магнетизмом до Ампера Ампер дал название «электродинамика» совокупности новых электрических явлений и отказался от понятия «электромагнетизм», которое тогда уже фигурировало в терминологии физики.

Ампер отбросил понятие «электромагнетизм», по-видимому, по той причине, что считал теорию явлений, происходящих при взаимодействии токов, не нуждающихся в гипотезе того времени о магнитной жидкости. Он считал, что пока речь идёт только о взаимодействиях между током и магнитом, наименование «электромагнитные явления» было вполне уместно, так как оно подразумевало одновременное проявление электрических и магнитных эффектов, открытых Эрстедом. Но когда было установлено взаимодействие между токами, честь открытия которого принадлежит Амперу, то стало ясно, что здесь участвуют не магниты, а два или несколько электрических токов. «Поскольку явления, - писал он, - о которых здесь идёт речь, могут быть вызваны лишь электричеством, находящемся в движении, я счёл нужным обозначить их наименованием электродинамические явления» [10].

Другой параграф рассматриваемого мемуара [5] посвящён ориентировке электрических токов под действием земного шара. Ампер хотел проверить посредством электрических токов уже хорошо известный эффект: как действие земного поля влияет на склонение и наклонение магнитной стрелки.

Опыты подтвердили, что Земля есть большой магнит, имеющий свои полюсы, способный действовать на другой магнит и на токи. Подтвердилось мнение Ампера о направлении земных электрических токов, и всё оказалось в полном согласии с Амперовой теорией магнетизма.

Второй фундаментальный труд Ампера, содержание которого перепечатывалось в других источниках, называется “О выводе формулы, дающей выражение для взаимодействия двух бесконечно малых отрезков электрических проводников”.

Эта работа посвящена математическому выражению для силы взаимодействия между двумя бесконечно малыми токами, расположенными произвольно в пространстве. Ампер сделал здесь допущение, что силы приложены к срединам токов и действуют по прямой линии, проходящей через эти средины.

Действие, по Амперу, должно зависеть от расстояния между токами и от углов между током с линией, соединяющий их середины. Сила взаимодействия, следовательно, должна была иметь общее выражение в таком виде:

df = iiў ds dsў /r n Ч Ф( e , q , q ў ),

где i и iў - электрические токи; ds и dsў - длины элементов проводника; r - расстояние между срединами токов; q и q ў - углы, образуемые элементами тока с линией между срединами; e - угол между самими элементами.

Для того, чтобы определить число n и функцию Ф, требовалось измерить действительные силы взаимодействия в разных случаях. Однако в то время проведение подобных измерений было невозможно, и Амперу пришлось обратиться к другому методу. Он стал исследовать случаи равновесия токов, расположенных разным образом по отношению друг к другу. Такой метод, исключительно сложный и доступный лишь человеку с обширными математическими знаниями, привёл Ампера к окончательной форме выражения силы взаимодействия между двумя элементами тока, а именно:

df = iiў ds dsў /r 2 Ч (cos e - 3/2 cos q cos q ў ).

Ампер также стал автором методов измерения электродинамических действий и соответствующих приборов, которые не потеряли своего значения и в наше время.

Гигантская работа Ампера над «Теорией» протекала в очень трудных условиях. «Я принуждён бодрствовать глубокой ночью… Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я тем не менее не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами», - сообщает он в одном из писем. Лекции Ампера по высшей математике пользовались широкой известностью и привлекали многочисленных слушателей. Одним из них был в 1822-1824 годы прибывший из России молодой Михаил Васильевич Остроградский.

История электричества и магнетизма богата наблюдениями и фактами, различными взглядами и представлениями о сходстве и различии электричества и магнетизма.

Впервые свойства магнитного железняка и янтаря описал Фалес Милетский в 6 веке до н.э., собравший значительный материал наблюдений. Его опыты были чисто умозрительными, не подтверждёнными опытами. Фалес дал малоубедительное объяснение свойствам магнита или натёртого янтаря, приписывая им «одушевлённость». Через столетие после него Эмпедокл объяснял притяжение железа магнитом «истечениями». Позднее подобное же объяснение в более определённой форме было представлено в книге Лукреция «О природе вещей». Высказывания о магнитных явлениях имелись и в сочинениях Платона, где он описывал их в поэтической форме. Представления о существе магнитных действий были у учёных более близкого к нам времени - Декарта, Гюйгенса и Эйлера, причём эти представления в некоторых отношениях не слишком отличались от представлений древних философов.

Со времени античности до эпохи Ренессанса магнитные явления использовались либо как средство развлечения, либо как полезное устройство для усовершенствования навигации.

Правда, в Китае буссоль применялась для навигации ещё до нашей эры. В Европе она стала известна лишь в 13 веке, хотя впервые упоминается в трудах средневековых авторов - англичанина Некаме и француза Гио де Провенс в конце 12 века.

Первым экспериментатором, занявшимся магнитами, был Петр Перегрин из Марикура (13 век). Он опытным путём установил существование магнитных полюсов, притяжение разноимённых полюсов и отталкивание одноимённых. Разрезая магнит, он обнаружил невозможность изолировать один полюс от другого. Он выточил сфероид из магнитного железняка и пытался экспериментально показать аналогию в магнитном отношении между этим сфероидом и землёй.

Этот опыт впоследствии ещё более наглядно воспроизвёл Гильберт, 1600 год. Затем в области изучения магнитных явлений наступило почти трёхвековое затишье Древние (например, Теофраст) в 4 веке до н.э. обнаружили, что, кроме янтаря, и некоторые другие вещества (гагат, оникс) способны в результате трения приобретать свойства, впоследствии названный электрическими. Однако в течение долгого времени никто не сопоставил магнитные и электрические действия и не высказал мысли об их общности.

Одним из первых средневековых учёных (а возможно, и самым первым), кто вёл попутное наблюдение фактов, могущих навести на представления о взаимодействиях, сходстве или различии электрических и магнитных явлений, был Кардан, который внёс в этот вопрос некоторую упорядоченность. В сочинении «О точности» 1551 года он указывает на установлении им в результате экспериментов безусловного различия между электрическими и магнитными притяжениями. Если янтарь способен притягивать всякие лёгкие тела, то магнит притягивает только железо. Наличие препятствия (например, экрана) между телами прекращает действие электрического притяжения лёгких предметов, но не препятствует магнитному притяжению.

Янтарь не притягивается теми кусочками, которые он сам притягивает, а железо способно притягивать сам магнит. Далее: магнитное притяжение направлено преимущественно к полюсам, лёгкие же тела притягиваются всей поверхностью натёртого янтаря. Для создания электрических притяжений необходимы, по мнению Кардана, трение и теплота, в то время как природный магнит проявляет силу притяжения без какой-либо его предварительной подготовки.

Наиболее яркий экспериментальный метод и именно в области магнитных и электрических явлений освоил Уильям Гильберт, возобновивший приёмы Петра Перегрина и развивший их. Вышедшее в 1600 году его сочинение о магнитах включало шесть книг и составило эпоху в научной литературе. Оно стало источником, которым пользовался Галилей и Кеплер, когда объясняли эксцентричность орбит притяжениями и отталкиваниями между солнечными и планетарными магнитами. Гильберт излагает соображения о сходствах и различиях магнитных и электрических явлений и приходит к выводу, что электрические явления отличны от явлений магнитных.

В 1629 году Николо Кабео опубликовал сочинение о магнитной философии, в котором впервые указал на существование электрических отталкиваний. Кабео, как и Гильберт, высказывал мысль о «сфере действия» магнита, которая ограничивается некоторым пространством вокруг тела. Так ещё неясно намечалось представление о магнитном поле. Эта мысль с большей определённостью была высказана Кеплером, который пришёл к понятию «линии действия», составляющих в своей совокупности «сферу действия» вокруг каждого из полюсов. Тогда явления электричества и магнетизма объяснялись действием невидимой тончайшей жидкости - эфира.

В 1644 году Декарт опубликовал свой известный труд «Принципы философии», где было уделено место вопросам магнетизма и электричества. По Декарту, вокруг каждого магнита существует тончайшее вещество, состоящее из невидимых вихрей. Мнение Гильберта о коренном различии между электричеством и магнетизмом прочно удерживалось в науке более полутора столетий Ф.У.Т. Эпинус, занимавшийся исследованием электричества и магнетизма, заставил учёных обратиться к вопросу о сходстве этих двух явлений. Он также положил начало новому этапу в истории теоретических исследований в данной области, - он обратился к расчётным методам исследования.

На новом этапе развития теорий электричества и магнетизма, открытом трудами Эпинуса, особо важными были работы Кевендиша и Кулона. Кевендиш в своём сочинении 1771 года рассмотрел разные законы электрических действий с точки зрения обратной их пропорциональности расстоянию (1/r n ). Величину n он утвердил равной 2. Он вводит понятие о степени наэлектризованности проводника (то есть ёмкости) и об уравнивании этой степени у двух наэлектризованных тел, соединённых между собой проводником. Это первое количественное уточнение о равенстве потенциалов. В 1785 году Кулон произвёл свои знаменитые исследования количественных характеристик взаимодействия между магнитными полюсами, с одной стороны, и между электрическими зарядами - с другой. Кроме того, он ввёл понятие о магнитном моменте и приписал эти моменты материальным частицам.

Вот примерно совокупность тех представлений, которые могли создаться у Ампера до 1800 года, когда впервые был получен электрический ток, и начались исследования явлений гальванизма.

Новая эпоха в области электричества и магнетизма началась на рубеже 18 и 19 веков, когда Александро Вольта опубликовал сообщение о способе производить непрерывный электрический ток. Вслед за этим довольно быстро по историческим меркам были открыты разнообразные действия гальванического электричества, то есть электрического постоянного тока; в частности способность тока разлагать воду и химические соединения (Карлейль и Никольсон, 1800; Петров, 1802; Гей-Люссак и Готро, 1808; Дэви, 1807); производить тепловые действия, нагревая проводник (Тенар, 1801, и другие); и многое другое.

Историческое открытие, столь важное для последующего развития науки об электричестве и магнетизме и получившее название электромагнетизма, произошло в 1820 году. Оно принадлежало Г.Х.Эрстеду, впервые заметившему действие проводника с током на магнитную стрелку компаса.

2. Электродинамика Ампера

ампер магнетизм научный электричество

Одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше, провёл свои теоретические и экспериментальные исследования Ампер. 18 сентября 1820 г. он сообщил Парижской Академии наук о своём открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своём первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 г. он ввёл термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов. Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид, и многими другими.

Говорят, что, когда Ампер зачитал свой доклад об электродинамических действиях токов, один из его коллег по окончании чтения спросил: «Но что же, собственно, нового в том, что вы нам сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают действие также и друг на друга». Ампер, захваченный врасплох, не знал, что ответить.

Но ему на помощь пришёл Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга» [6]. Такой случай, по-видимому, действительно был, потому что Ампер в своей большой работе «Mйmoire sur la theorie mathйtmatique des phйnomиnes йlectro-dynamiques uniquement dйduite de l'expйrierace» («О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта») считает нужным заметить, что из опыта Эрстеда нельзя было логически заключить о взаимодействии двух токов, как из действия двух кусков железа на стрелку нельзя сделать вывода об их взаимодействии.

Но рассказывают ещё и о другом случае. Лаплас присутствовал на первой публичной демонстрации опыта Ампера. Публика уже расходилась, и Лаплас у выхода стал ждать ассистента, Даниэля Колладона; увидев его, он хлопнул его по плечу и, пристально глядя на него, спросил: «А не вы ли это, молодой человек, подталкивали провод?»

Однако этот случай, о котором многие рассказывают, скорее всего, вымышлен, ибо маловероятно, что Лаплас ждал публичной демонстрации опыта, чтобы узнать об открытии Ампера. Ведь сам Ампер вспоминает о полученных от Лапласа советах, как увеличить эффект в опыте Эрстеда, изогнув проводник так, чтобы оп проходил и над стрелкой и под нею. И потом совершенно неверно, будто первая публичная демонстрация опыта была проведена, как пишет Пикте, в 1823 или 1824 г. с несовершенными приборами, которые не позволили добиться желаемого эффекта, разочаровав публику и огорчив Ампера. Уже в феврале 1821 г. Ампер построил свою “скамью”, использовав при этом многочисленные приспособления, изготовленные знаменитым Пиксием. Этой «скамьёй» воспользовался затем Деламбр, когда 2 апреля 1821 г. повторил перед Парижской Академией наук основные опыты Ампера.

Сразу же после открытия Эрстеда физикам показалось вполне естественным объяснить его тем, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. Такое объяснение было принято Араго, который приступил к опыту исходя именно из этого представления. Оно было принято также и Био, который упорно придерживался его ещё много лет. В 1820 г. Био утверждал, что когда прямолинейный ток действует на магнитную молекулу, то «природа этого действия та же, что и для намагниченной стрелки, помещённой на периферии проводника в определённом направлении, постоянном по отношению к направлению вольтаического тока» [4].

Био и другие физики, разделявшие его мнение, объясняли электродинамическое действие взаимодействием элементарных магнитов, возникающих под действием тока в каждом проводнике: каждый проводник, по которому проходит ток, превращается в магнитную трубку. Био оставался твёрдым в этом своём убеждении, хотя уже в 1820 г. Гей-Люссак и Вельтер придумали эксперимент, повторенный с тем же результатом Дэви и Эрманом, в котором показано, что два сильно намагниченных трубчатых кольца не проявляют взаимодействия.

Его придерживались также Дэви и Берцелиус. Последний уточнял, что каждое поперечное сечение проводника, по которому проходит ток, становится двойным магнитом с противоположными полюсами. Однако Ампер предложил другое объяснение, которое и является самым гениальным его вкладом в науку: не проводник, по которому течёт ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В самом деле, говорит Ампер, если мы предположим, что в магните присутствует совокупность круговых токов, текущих в плоскостях, точно перпендикулярных его оси, в одном и том же направлении, то ток, идущий параллельно оси магнита, окажется направленным под углом к этим круговым токам, что и вызовет электродинамическое взаимодействие, стремящееся сделать все токи параллельными и направленными в одну сторону. Если прямолинейный проводник закреплён, а магнит подвижен, то отклоняется магнит; если же магнит закреплён, а проводник подвижен, то движется проводник [4].

Легко понять, что в то время, в 1820 г., гипотеза Ампера казалась исключительно смелой и не удивительной, поэтому та сдержанность, с которой она была встречена. Гипотеза Био и Араго казалась куда более правдоподобной. Но когда в 1821 г. Фарадей установил вращение токов в магнитном поле, Ампер заметил, что такой эффект нельзя объяснить никаким распределением магнитиков в проводнике, через который проходит ток; такое распределения могло вызвать лишь силы притяжения или отталкивания, но никак не вращающую пару сил.

Ампер заботился больше о том, чтобы найти опытное подтверждение своей собственной гипотезы, нежели о критике чужих теорий. Он подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, т. е. должна принимать определённое положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли. Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведёт себя точно как магнитный листок.

Таким образом, обнаружилось непонятное явление: один-единственный виток ведёт себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит. Пытаясь разобраться, в чём тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведёт себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма. Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая -- перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону. Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль оси концы проводника. Но всё же существовало различие между спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита -- во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси.

Сразу же после своих первых электродинамических опытов Ампер решил вывести формулу для величины силы, возникающей между двумя элементами тока, чтобы из этой формулы можно было найти силу, действующую между двумя частями проводников данной формы и положения. Не имея возможности проводить опыты с элементами тока, Ампер в 1820 г. попытался сначала использовать следующий метод: провести тщательные и многочисленные измерения действия двух конечных токов разной формы и положения, затем принять какую-либо гипотезу о взаимодействии двух элементов тока, вывести из неё взаимодействие двух конечных токов и далее модифицировать эту гипотезу до тех пор, пока теоретические и экспериментальные результаты не окажутся в полном соответствии. Это классический путь, многократно испробованный в подобных исследованиях, однако Ампер вскоре убедился в том, что этот способ в данном случае был бы построен на сплошных догадках и желаемые результаты можно получить более прямым путём.

Установив, что подвижный проводник находится точно в равновесии под действием равных сил, вызываемых неподвижными проводниками, размеры и форму которых можно без нарушения равновесия изменять при соблюдении условий, допустимых опытом, Ампер получил возможность непосредственно рассчитать, каково должно быть взаимодействие двух элементов тока, чтобы равновесие при таких условиях действительно не зависело от формы и размеров неподвижных проводников. Он смог успешно применить этот гораздо более узкий критерий, потому что опытным путём было определено четыре случая равновесия, два из которых ещё и сегодня приводятся курсах физики (равенство абсолютной величины сил, действующих на одинаковые токи, текущие в противоположных направлениях; одинаковое действие на прямолинейный подвижный проводник двух неподвижных проводников, прямого и изогнутого, одинаково удалённых и имеющих концы в одних и тех же точках).

Исходя из этих четырёх экспериментальных постулатов, Ампер путём довольно сложного доказательства вывел первую из формул электродинамического взаимодействия элементов тока, за которой последовали многие другие формулы, выведенные рядом учёных (Грассманн, Вебер, Риман и др.). Все эти формулы применялись для расчёта, и все они подвергались критике. Эти формулы давали величину силы, действующей между двумя элементами тока, в зависимости от сил токов, расстояния между элементами и их взаимного положения.

В ходе теоретических исследований выяснилось, что части одного и того же проводника должны взаимно отталкиваться. Этот факт представлялся Амперу настолько важным, что он счёл возможным положить его в основу электродинамики и поэтому решил найти ему непосредственное экспериментальное подтверждение. Таковое Ампер получил в сентябре 1822 г. с помощью приспособления, упоминаемого ещё в некоторых современных курсах физики. Это сосуд, разделённый перегородкой на два отделения, заполненных ртутью и соединенных подвижным проводником, плавающим в ртути. При прохождении тока по проводнику из одного отделения в другое подвижный проводник смещается.

Из своей формулы взаимодействия элементов тока, рассматривая магнит как систему молекулярных токов, Ампер вывел первый закон Лапласа, а из него способом, описываемым во всех современных учебниках, -- закон Био и Савapa. Ампер вывел также закон Кулона для магнитостатического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две токовые системы. Другое благоприятное для своей теории обстоятельство Ампер видел в том факте, что незадолго до того выведенная Пуассоном формула для силы действия магнитного элемента на элемент северного или южного флюида совпадает с формулой, получающейся из его теории для очень маленькой замкнутой плоской петли тока. Отсюда сразу же следует, что если замкнутый малый плоский контур тока эквивалентен элементарному магнитику, то, разлагая, как это рекомендуется и сейчас в учебниках, конечный контур на отдельные кольца, можно показать, что замкнутый контур действует точно так же, как элементарные магнитики, которые равномерно распределены по ограниченной этим контуром произвольной поверхности так, что их оси нормальны поверхности. Это знаменитая теорема эквивалентности Ампера.

Ампер понимал, что к тем же проверяемым опытом выводам можно прийти, исходя и из других законов взаимодействия элементарных токов, поэтому особенно подчёркивал другое достоинство своей теории -- её способность сводить к единой причине (взаимодействию двух элементов тока) три вида взаимодействий, кажущихся совершенно различными: магнитостатические, электромагнитные и электродинамические. Но главное достоинство своей формулы (единственной, которая, по его мнению, имеет право называться действительно элементарной) он видел в том, что она изгнала из физики «вращательные силы», сведя все силы природы к взаимодействию частиц вдоль соединяющей их прямой.

Таким образом, в этой большой работе, опубликованной в 1827 г. и охарактеризованной Максвеллом как «совершенная по форме и непревзойдённая по точности», Амперу удалось восстановить механистическую концепцию, сильно поколебленную опытом Эрстеда. Но как раз работы того же Максвелла позволили установить, что это всего лишь «заплата».

Вебер положил в основу своей теории электрического тока, рассматриваемого как истинный поток заряженных частиц, электромагнитное действие движущегося заряда; Максвелл также принял эту концепцию. По совету Гельмгольца Роуланд в 1876 г. с помощью классического эксперимента, вызвавшего длительную дискуссию, прекратившуюся практически лишь в 1903 г. благодаря Пуанкаре, доказал, что движущийся по окружности электрический заряд оказывает на магнитную стрелку точно такое же действие, как и круговой ток. Более того, при увеличении скорости заряда растёт и сила, действующая на каждый полюс стрелки, т. е. величина силы зависит от скорости заряда. Между тем для механистической концепции характерно объяснение всех явлений силами, зависящими лишь от расстояния между частицами. Опыт Роуланда не только подтверждал существование «вращательных сил», но вводил новый элемент, совершенно чуждый механистической концепции и потому сильно её поколебавший. Однако вернёмся ещё раз к работе Ампера. Оставив в стороне его резкую полемику с Био, полную личных выпадов, мы хотим заметить, что Ампер объясняет, как это он уже делал и в 1821 г., земной магнетизм существованием внутренних токов в земном шаре -- это одна из многочисленных и малоудовлетворительных теорий, пытающихся объяснить земной магнетизм.

В 1822 г. Леопольд Нобили подкрепил взгляд Ампера, создав «прибор», состоящий из «...сферического шара, обмотанного металлической проволокой в направлении параллелей, которая соединяется концами с цинковым и медным электродами вольтова столба» [4].

Этот прибор в некоторых курсах физики называют «шаром Барлоу», хотя Барлоу представил его описание в Королевский институт лишь 26 мая 1824 г., т. е. через два года после опубликования статьи Нобили.

Основные идеи электродинамики Ампера таковы. Во-первых, взаимодействия электрических токов. Здесь делается попытка разграничить две характеристики состояний, наблюдаемой в электрической цепи, и дать им определение: это - электрическое напряжение и электрический ток. Ампер впервые вводит понятие «электрический ток», и вслед за этим понятие «направление электрического тока». Для констатации наличия тока и для определения его направления и «энергии» Ампер предлагает пользоваться прибором, которому он дал название гальванометра.

Таким образом, Амперу принадлежит идея создания такого измерительного прибора, который мог бы служить для измерения силы тока.

Ампер считал нужным внести также уточнение в наименование полюсов магнита. Он назвал южным полюсом магнитной стрелки тот, который обращён на север, а северным полюсом тот, который направлен на юг.

3. Труды Ампера в других областях знаний

С 1827 года Ампер почти не занимается вопросами электродинамики, исчерпав, по-видимому, свои научные замыслы в этом направлении. Он возвращается к проблемам математики, и в последующие девять лет жизни публикует «Изложение принципов вариационного исчисления» и ряд других замечательных математических работ.

Но творчество Ампера никогда не ограничивалось математикой и физикой. Энциклопедическое образование и разносторонние интересы то и дело побуждали его заниматься самыми разнообразными отраслями наук. Так, например, он много занимался сравнительной зоологией и пришёл к твёрдому убеждению об эволюции животных организмов. На этой почве Ампер вёл ожесточённые споры с Кювье и его сторонниками. Когда однажды его противники спросили, действительно ли он считает, что «человек произошёл от улитки», Ампер ответил: «После тщательного исследования я убедился в существовании закона, который внешне кажется странным, но который со временем будет признан. Я убедился, что человек возник по закону, общему для всех животных».

Но наряду с научными проблемами Ампер уделял немало внимания богословию.

В этом сказалось влияние клерикальной домашней среды. Уже с молодых лет Ампер попал в цепкие лапы иезуитов, не отпускавших его до конца жизни. Одно время он пытался преодолеть влияние, однако избавиться от этого окружения ему не удалось.

Ампер не мог пройти равнодушно мимо острых социальных вопросов своей эпохи. В своих письмах 1805 года он проявляет резкое критическое отношение к Бонапарту. В письмах 1814 года выражается глубокая скорбь и боль патриота Франции, оккупированной иностранными войсками. В письмах 20-х годов Ампер высказывает горячее сочувствие Греции, борющейся за независимость, и выражает возмущение политикой великих держав в греческом вопросе. В письмах Ампера вместе с тем содержатся самые нелепые рассуждения о догмах католической церкви и т.п. Эта двойственность и противоречивость воззрений Ампера резко сказывается во всех его трудах, где затрагиваются общественные и философские вопросы.

Заслуживает внимания большой труд Ампера «Опыт философских наук или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний». Первый том этого труда вышел в 1834 году, второй том остался незаконченным и был издан после смерти Ампера, в 1843 году. Несмотря на ряд ошибочных и подчас нелепых высказываний, Ампер предстаёт перед нами в этом труде как человек, глубоко и искренне убеждённый в беспредельном прогрессе человечества и глубоко болеющий за благо народов. Ампер рассматривает любую науку как систему объективных знаний о действительности. Вместе с тем он считает, что любая область знания призвана не только объяснять явления, происходящие в природе, человеческом обществе и сознании, но и воздействовать на них. Ампер наметил несколько новых, ещё не существующих наук, которые должны быть созданы для удовлетворения различных людских запросов. Наряду с такими науками как кибернетика и кинематика, появление которых он предвидел, особое место он уделяет новой науке, названной им «ценольбогемией», науке о человеческом счастье.

Эта наука призвана, прежде всего, выяснить обстоятельства и причины, оказывающие благоприятное или неблагоприятное воздействие на человеческое общество. Почему там установилось рабство или состояние, мало отличающееся от него, а там - некоторая степень свободы, более соответствующая достоинству человека и его счастью.

Наконец, каковы причины, приведшие к гигантскому обогащению нескольких семейств и к нищете большинства. Таковы вопросы,- говорит Ампер, - изучаемые наукой, которой я дал название «ценольбогении». Но эта наука осмысливает то, что наблюдено статистикой и объяснено «хрематологией» (по Амперу, наука о народном богатстве) и переведено в законы «сравнительной ценольбогенией» (по Амперу, наука, обобщающая данные статистики и выводящая из этих данных законы), - она указывает, какими средствами можно постепенно улучшать социальное состояние и привести мало-помалу к исчезновению все те причины, которые удерживают нации в состоянии слабости и нищеты» [8].

Забота Ампера о благе народа также проявилась в его неутомимой деятельности по улучшению народного просвещения. Во время одной из своих поездок по инспектированию школ Ампер тяжело заболел и скончался 10 июня 1836 года в Марселе.

В 1881 году первый международный конгресс электриков принял постановление о наименовании единицы силы электрического тока «ампер» в память Андре-Мари Ампера.

Заключение

Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826-1827 гг. Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, он утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение.

Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений. А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако ученый предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации этой идеи.

Потребовалось некоторое время, для того чтобы найти другой путь создания телеграфа. Значение работ А. Ампера для науки весьма велико. Своими исследованиями он доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества. Выдающийся вклад А. Ампера в науку получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «ампер» [6, 9].

Список использованной литературы

1. Белькинд Л.Д. Андре-Мари Ампер, 1775-1836. - М: Наука,1968. - 278 с.

2. Ампер А.М. Электродинамика. - Изд-во Акад. Наук СССР, 1954.

3. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки (С древнейших времен до начала ХХ века). - М.: Высшая школа, 1989. - 576 с.

4. L. Nоbili, Sul confronto del circuiti elettrici coi circuiti magnetici, Modena, 1822, в кн. Memorie ed osservazioni edite ed inedite del cavaliere Leopoldo Nobili... colla descrizi-one ed analisi de'suoi apparati ed istrumenti, Firenze, 1834, II, p. 23.

5. “Mйmoire sur la theorie mathйtmatique des phйnomиnes йlectro-dynamiques uniquement dйduite de l'expйrierace” (“О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта”)

6. Веселовский, О. Н. Очерки по истории электротехники / О. Н. Веселовский, Я. А. Шнейберг. - М.: Изд-во МЭИ, 1993.

7. Льоцци, М. История физики / М. Льоцци. - М.: Мир, 1970.

8. Шнейберг, Я. А. Титаны электротехники: очерки жизни и творчества / Я. А. Шнейберг. - М.: Изд-во МЭИ, 2004. - 270 с.

9. История электротехники / под ред. И. А. Глебова. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. - 524 с.

10. Клерк Дж. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля -- Технико-теоретическая, 1952. -- 687 c.

Размещено на Allbest.ru