Учебник | Электромагнетизм

Электромагнетизм (электромагнитное взаимодействие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий (помимо гравитационного, сильного и слабого). Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

Несмотря на то, что Гильберт в свое время разъединил электричество и магнетизм, ученые всё-таки пытались делать попытки снова их объединить. Одним из поводов для поиска связи между этими физическими явлениями послужил случай (описанный в Философских трудах за 1735 год), произошедший в июле 1731 года. В дом одного торговца во время грозы ударила молния, причем пострадал в основном только угол комнаты, где лежали в ящике стальные ножи и вилки. Часть из них расплавилась, а часть осталась цела, но при этом они намагнитились и стали притягивать гвозди и другие металлические предметы.

Одним из таких ученых, кто искал общие свойства у электричества и магнетизма был Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724 — 1802), немецкий ученый, принявший российское подданство. На мысль о сходстве электрических и магнитных явлений его натолкнуло сделанное им в 1756 году открытие, когда он заметил, что при нагревании кусочков кристалла турмалина, он электризуется таким образом, что один его конец становится заряженным положительно, а второй — отрицательно. Затем это было названо пироэлектрическим эффектом. Он усмотрел в этом сходство с полюсами магнита.

Ханс Кристиан Эрстед
Но все-таки особенно большую роль для появления электромагнетизма сыграл один опыт Ханса Кристиана Эрстеда (1777 — 1851). Это произошло не то в конце 1819, не то в начале 1820 года на одной из лекций курса «Электричество, гальванизм и магнетизм», который читал Эрстед. На одной из лекции он положил рядом с проводом магнитную стрелку (компас), а когда по проводу пустили ток от вольтова столба, стрелка неожиданно отклонилась от своего первоначального положения. По другой версии Эрстед на самой лекции действительно проводил такой эксперимент, но который ничего не показал, т.к. провод был расположен перпендикулярно первоначальному направлению магнитной стрелки, но зато после лекции Эрстед решил расположить стрелку параллельно проводу и тогда уже заметил влияние электрического тока на компас. Есть еще и третья версия, по которой Эрстед демонстрировал студентам только лишь то, что электрический ток способен нагревать проводник, а компас рядом оказался случайно, причем влияние тока на магнитную стрелку заметил не сам Эрстед, а один из студентов. Впрочем, сам Эрстед третий вариант опровергал. Но как бы там ни было, но именно этот опыт, по сути, заложил основу для электромагнетизма, науки, объединяющей и электрические и магнитные явления.

После этого Эрстед провел аналогичные опыты с более мощным источником тока, и только в июле 1820 года было публично объявлено об открытии. А в сентябре того же года французский академик Доминик Франсуа Араго (1786 — 1853) рассказал об этом открытии на заседании Парижской академии наук. В этом же году Араго изобрел электромагнит и показал, что железный сердечник способен вызывать магнитные действия, если пропустить ток, через проволоку, намотанную на этот самый сердечник.


Жан-Батист Био
В этом же году два француза Жан-Батист Био (1774 — 1862) и Феликс Савар (1791 — 1841) экспериментально определили закон, по которому можно определить силу, с которой действует прямолинейный проводник с током, и ее направление на магнитную стрелку. Точнее они определили закон, по которому можно узнать направление и величину вектора магнитной индукции. Чуть позже другой француз Пьер Симон Лаплас (1749 — 1827) показал, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда, если считать движение одной заряженной частицы током. Обобщенный закон сейчас называют законом Био-Савара-Лапласа. Как видите, в то время французская школа была очень сильна в электричестве, в том числе и благодаря тому, что Наполеон стал усиленно материально поддерживать ученых. Он же учредил ежегодную премию в 60 тысяч франков за лучшую работу для ученых, работающих в области «вольтаического электричества». Кстати, Лаплас был одним и преподавателей Наполеона в военной школе.


Пьер-Симон Лаплас
Опыты Эрстеда добавили новую головную боль ученым. До этого все известные взаимодействия были направлены вдоль линии, соединяющей взаимодействующие тела, а в данном случае направление взаимодействия было перпендикулярно такой линии. Это было непривычно для ньютоновской теории мира.


Карл Фридрих Гаусс
Здесь хотелось бы немного отвлечься от экспериментов и немного поговорить о теории, а заодно вспомнить сверстника Эрстеда, немецкого математика и физика — Карла Фридриха Гаусса (1777 — 1855). Именно Гаусс во многом заложил основы математической теории электромагнетизма. Гаусс в 1832 году предложил все физические величины свести к трем — единице длинны, массы и времени. Гаусс предложил использовать для этих величин соответственно миллиметр, миллиграмм и секунду. В 1851 году Вебер дополнил эту систему электрическими величинами. Позже система единиц, введенная Гауссом, хоть и немного в измененном виде, будет заложена в основу международной системы СГС (сантиметр-грамм-секунда).

Гаусс же ввел и понятие потенциала электрического поля, а в 1839 году в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», изложил основные принципы теории потенциала, в частности, ряд положений и теорем. Среди них – основную теорему электростатики (теорема Гаусса-Остроградского). Также Гаусс выдвигал предположение, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия является конечной, что противоречило теории дальнодействия, которая в то время принималась многими учеными.


Андре-Мари Ампер
Следующий шаг по объединению электричества и магнетизма сделал Андре-Мари Ампер (1775 — 1836), он показал, что два проводника с током взаимодействуют так же, как и магниты, но перед этим он заметил, что на магнитную стрелку действует только так называемое гальваническое электричество, статическое электричество стрелку не отклоняет. Именно Ампер ввел понятие «сила тока», чтобы оценивать величину взаимодействия магнитной стрелки и гальванического электричества. Для эксперимента, который окончательно соединил электрические и магнитные явления, Ампер использовал проводящие спирали, которые вели себя как магниты, когда по ним протекал ток. То есть они могли притягиваться и отталкиваться в зависимости от направления протекания тока. И именно Ампер свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам, то есть по сути заложил основы электродинамики.


Майкл Фарадей
Ученых интересовало, если электрический ток способен вызывать магнитное действие, то может ли магнит вызывать электрические действия. Точку в этом вопросе поставил Майкл Фарадей (1791 — 1867). Фарадей начал исследования, направленные на извлечения электричества из магнитов в 1822 году, а удалось ему это в 1831 году. Установка Фарадея состояла из следующих элементов: две катушки, намотанные на один каркас, внутрь которого мог легко входить железный сердечник. Одна катушка была подключена к электрической батарее, а вторая к гальванометру. Фарадей с помощником заметили, что после того, помощник Фарадея (сержант Андерсен) вдвигает сердечник в катушку, на короткое время в цепи вторичной обмотки возникает ток. Таким образом, Фарадей показал, что только при изменении магнитной индукции возникает электрический ток. Говорят, что Ампер проводил такие же эксперименты, но он, чтобы добиться наибольшей точности, устанавливал катушки в одной комнате, а гальванометр в другой, и пока шел смотреть на показания гальванометра, то возникающий ток уже затухал.

Именно Фарадей ввел понятия силовых линий, с помощью которых он пытался объяснить как взаимодействуют между собой магниты и проводники с током. Кстати, многие ученые не принимали силовые линии, так как они противоречили теории дальнодействия, согласно которой тела взаимодействуют между собой мгновенно и непосредственно, без помощи каких-то третьих тел на любом расстоянии. Ампер, между прочим, был сторонником именно дальнодейтсвия. А Фарадей считал, что все пространство заполнено силовыми линиями, через которые и передается взаимодействие между магнитами. Он также использовал понятие «силовой трубки», с помощью которых он рассчитывал находить направление вектора напряженности магнитного поля и его величину. В 1833 году Фарадей окончательно доказал, что статическое электричество, гальваническое (химическое) и электричество, полученное с помощью электромагнитной индукции — это одно и то же электричество.

Оригинал публикации: Jenyay.Net/Blog

Литература:

Уитекер Э. “История теории эфира и электричества”,
В. Карцев “Приключения великих уравнений”,
Власов А. Д., Мурин Б. П. «Единицы физических величин в науке и технике».

В начало

Учебник | Электромагнетизм