Ю.О. Беличенко. Электродинамика. Основной закон электростатики

 

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

 

 

 

 

К началу XIX уже были известны и опровергнуты опыты Гальвани (1737-1798) по исследованию «нового животного электричества»:

 

 

Опроверг болонского анатома Алессандро Вольта (1745-1827). Причём в споре о природе явления по существу оказались правы обе стороны. Гальвани стал основоположником электрофизиологии, а Вольта — основоположником учения об электричестве.

Вольта установил, что соответствующим образом «препарированная лягушка представляет, если можно так выразиться, животный электрометр, несравненно более чувствительный, чем всякий другой самый чувствительный электрометр.

 

 

Потом ученый определяет важность контакта разнородных металлов для возникновения постоянного тока: «Такие металлы — писал Вольта, — не простые проводники или передатчики тока, но настоящие двигатели электричества». Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток. В 1800 год Вольта написал свое знаменитое письмо Бенксу с описанием созданного им  первого в мире химического источника тока «Во́льтова столба» — изобретения, произведшего подлинную революцию в науке об электричестве.

 

 

В 1801 году в Париж приехал итальянский ученый Алессандро Вольта. За изобретение столба он получил в 1801 награду от Наполеона титул графа и сенатора. А однажды Наполеон, увидев в библиотеке академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», стер последние буквы таким образом, что получилось: «Великому Вольте»…

Электрические явления постепенно теряли свой первоначальный характер отдельных разрозненных забавных явлений природы и постепенно образовывали некое единство, которое существующие теории пытались охватить несколькими основными принципами. Наступало время перехода от качественных исследований к количественным.

 

 

Замечательный британский физик и химик XVIII-XIX вв., член Лондонского королевского общества Генри Кавендиш (1731-1810) сконструировал крутильные весы и в 1798 году измерил с их помощью силу притяжения двух сфер, подтвердив закон всемирного тяготения на своей экспериментальной установке. Кавендиш установил, что средняя плотность Земли в 5,48 раза больше плотности воды и высчитал гравитационную постоянную и массу Земли.

 

 

Кавендиш математически вывел, что «почти весь» электрический заряд сосредоточен на самой поверхности проводника. Тем самым наметил косвенно путь установления закона взаимодействия зарядов.

К открытиям Кавендиша принадлежат установление отношения между электрическим потенциалом электрическим током, которое теперь называется законом Ома (1781), и Закон обратных квадратов изменения электрической силы с расстоянием, который сейчас называется законом Кулона. Он предвосхитил многие изобретения XIX века в области электричества, но все его работы оставались достоянием семейного архива в Девоншире, пока в 1879 году Джеймс Максвелл не опубликовал его избранные труды. Именем Кавендиша названа организованная в 1871 г. физическая лаборатория в Кембриджском университете.

 

 

Французский ученый Шарль Огюстен Кулон (1736-1806), военный инженер, строил форты и ремонтировал фортификационные сооружения, в том числе в крупном порту Шербур. Эта работа оставляла достаточно много времени для досуга, и молодой ученый продолжил свои научные исследования: он разрабатывал оптимальный метод изготовления магнитных стрелок для точных измерений магнитного поля Земли и победил на конкурсе, объявленном Парижской академией наук.

 

 

Кулон так наловчился в кручении тонких металлических нитей для конкурса, что смог создать очень тонкий прибор — крутильные весы для измерения малых сил различной природы, причем он обеспечивал беспрецедентную для конца XVIII века чувствительность. И Кулон на своём приборе начинает исследование сил электричества и магнетизма.

Важнейшим результатом было установление основного закона электростатики — закона взаимодействия неподвижных точечных зарядов: «Сила отталкивания двух маленьких шариков, наэлектризованных электричеством одной природы, обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков».

 

 

Кулон заложил основы электростатики. Полученные им с крутильными весами экспериментальные результаты дали в руки физиков метод определения единицы электрического заряда через величины, использовавшиеся в механике: силу и расстояние, что позволило проводить количественные исследования электрических явлений.

 

 

Учёные стали замечать, что каждый вольтов элемент представляет собой препятствие для прохождения тока. Как и другие физики, Гео́рг Си́мон Ом (1789–1854) —немецкий физик, экспериментально искал в начале ХIХ века закон электрических цепей. Ом измерял силу тока в медных, затем латунных проволоках одинакового диаметра, но разной длины, с помощью своего рода крутильных весов — магнитной стрелки, подвешенной на металлической нити; сила тока считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить. Условия опыта менялись: Ом изучал влияние температуры проводников на их сопротивление. Он вносил исследуемые проводники в пламя, помещал их в воду с толченым льдом и убеждался, что электрическая проводимость проводников уменьшается с повышением температуры и увеличивается с её понижением.

 

 

Наконец в 1827 году в Берлине Георг Ом опубликовал свой главный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически». Ом вводит понятия ЭДС, или «электроскопической силы», электропроводности и силы тока.

 

 

Но исследования Ома остались незамеченными! Только в 1841 году работа Ома была переведена на английский язык, в 1847 году — на итальянский, в 1860 году — на французский.

 

 

Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков в 1842 году Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом. Его именем названа единица электросопротивления (Ом).

Многие лучшие умы Европы были увлечены идеей связи электричества и магнетизма, восходящей к простейшему сходству притяжения пушинок янтарем и железных опилок магнитом. В литературе были известны факты намагничивания стальных игл электрической искрой, размагничивания компасов молнией. Но все эти факты носили характер случайных наблюдений и не только не обобщались, но даже и не описывались сколько-нибудь точно.

Ключевой особенностью в развитии науки этого периода времени является широкое применение электричества во всех отраслях производства. И люди уже не могли отказаться от использования электричества, ощутив его существенные преимущества. Началось внедрение электричества в медицину.

В то время ученые начали плотно изучать электромагнитные волны и их влияние на различные материалы. Открытие явления электромагнитной индукции недаром относят к наиболее выдающимся открытиям XIX века — на этом явлении основана работа миллионов электродвигателей и генераторов электрического тока во всем мире…

 

 

В 1820 году датский учёный, физик Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851, Копенгаген) обнаружил, что провод с током отклоняет намагниченную стрелку компаса. Однако история обычно умалчивает, что «отклонение магнитной стрелки, при пропускании электрического тока по проволоке», заметил юноша-лаборант, который был в меру ленив и не убрал с кафедры стрелку компаса, использующуюся в предыдущем опыте. Имя подростка история не сохранила.

 

 

Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда. А тогда, 15 февраля 1820 года, Эрстед, уже заслуженный профессор химии Копенгагенского университета, хотел продемонстрировать на лекции всего лишь интересное свойство электричества нагревать проволоку. Компас оказался на лабораторном столе совершенно случайно. Магнитная стрелка направилась по касательной к окружностям, опоясывающим эту проволоку. Таким образом Эрстед сделал вывод о вихревом характере электромагнитных явлений. Он писал: «...этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки».

Ганс Христиан Эрстед был сыном бедного аптекаря, и во время учёбы занимался практически всеми возможными дисциплинами. Он предпочитал разносторонность профессионализму. Золотая медаль Копенгагенского университета была присуждена ему за эссе «Границы поэзии и прозы». Следующая работа Эрстеда, также высоко оцененная, касалась свойств щелочей. Диссертация, которую он блестяще защитил и получил звание доктора философии, была посвящена медицине. Увлекшись философией Шеллинга, он много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом. В 1813 году во Франции вышел его труд «Исследования идентичности химических и электрических сил», где он впервые высказывает идею о связи электричества и магнетизма: «Не может ли электричество производить магнитных действий?» Говорят, Эрстед не расставался с магнитом.

 

 

«Господа, происходит переворот!» — Франсуа Араго, 221 французский физик XIX века, чьё имя внесено в список величайших учёных Франции на первом этаже Эйфелевой башни, Араго, который открыл цветную поляризацию, а также и астроном, в 1806 году точно измеривший парижский меридиан, бывший до 1884 года нулевым меридианом, проходивший через Парижскую обсерваторию. Араго потрясенный опытами Эрстеда. 4 сентября 1820 года он делает сообщение об этих опытах по электромагнетизму. Сообщение Араго с особым вниманием слушал академик Андре-Мари Ампер.

 

 

Всего через две недели 18 сентября 1820 г. Ампер на заседании Академии сообщил миру о результатах своих исследований: о взаимодействии токов и магнитов,а затем почти подряд — неделю за неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических обобщений. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.

 

 

Поразительна логика его обобщений: если ток — это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до Ампера никто так четко на это не указал. Объяснение Ампера является его выдающимся вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов.

 

 

Эффект Ампера по взаимодействию проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах. 

 

 

В 1820 г. Ампером была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа.

Выдающийся вклад Ампера получил высочайшую оценку (в 1881 г.). Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер». Он был членом Парижской Академии наук (с 1814 г.), и многих других Академий мира, в том числе и Петербургской (с 1830 г.).

Из биографии Андре-Мари Ампера известно, что (1775–1836), в возрасте 13 лет он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике, а в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии» отцовской библиотеки. Но в том же 1789 году началась Великая французская буржуазная революция, отца Ампера казнили, а юноша, оставшись без средств к существованию,  стал давать частные уроки математики. Его регулярная преподавательская деятельность продолжалась всю жизнь. В 1814 Ампер избран членом Академии наук за свои заслуги в области математики. Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники.

В области химии Ампер открыл, независимо от Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов. Так что этот закон по праву следует называть законом Авогадро — Ампера.

 

 

После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на электрические. Эту задачу блистательно решил Майкл Фарадей (1791-1867). 

 

 

В 1831 году Майкл Фарадей (1791-1867) — английский физик-экспериментатор и химик, член Лондонского королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830), заметил, что если медная проволока движется в магнитном поле, пересекая силовые линии, то в ней возникает электрический ток. Так появилось понятие электромагнитной индукции.

 

 

Фарадей начал серию экспериментов, на основании которых дал математическое описание этого явления (которое впоследствии стало одним из четырех уравнений Максвелла). Это открытие создало почву для изобретения электродвигателей. Но самое интересное – в ходе опытов он высказал гениальную догадку, что электромагнитные взаимодействия распространяются на расстояние не мгновенно, а с некоторой, пусть и очень большой, скоростью, т.е. по сути, предположил существование электромагнитных волн!

 

 

Любопытно, что свои слишком смелые для того времени соображения Фарадей не опубликовал, а, запечатав в конверт, передал в Королевское Общество (аналог нашей Академии наук) с просьбой вскрыть его через 100 лет. Лишь в 1930-х гг. мы узнали о его предвидении…

 

 

В 1827 г. американский физик Джозеф Генри (1797-1878) изобрёл «многокатушечную» обмотку, позволившую заметно увеличить подъемную силу электромагнита: он стал изолировать уже не сердечник, а саму проволоку, только тогда появилась возможность наматывать витки в несколько слоёв. Генри исследовал различные методы намотки провода для получения электромагнита, и стал первым, кто применил для создания электромагнита обмотки из изолированного шёлком провода из медной проволоки, намотанного на железный сердечник. Генри создал 29 килограммовый магнит, удерживающий гигантский по тем временам вес — 936 кг. Создавая магниты, Генри открыл новое явление в электромагнетизме самоиндукцию. Независимо от Фарадея Генри обнаружил взаимоиндукцию,  но Фарадей раньше опубликовал свои результаты. В 1829г. Джозеф Генри в экспериментах с лейденскими банками обнаружил, что их электрические разряды вызывают намагничивание на расстоянии металлических иголок. В честь Джозефа Генри названа единица индуктивности в Международной системе единиц (СИ) — «Генри».

Джозеф Генри в юности чуть было не стал профессиональным актёром в театре. Но в 16 лет у него появился интерес к науке после случайного прочтения книги «Популярные лекции по экспериментальной философии». И с этого момента он был поглощён карьерой инженера,  построил небольшой электромагнитный двигатель с возвратно-поступательным движением луча — первый циклический электродвигатель, т. е. тот, который продолжал работать без ручного переключения. Генри назвал его «философской игрушкой».

 

 

Дж.Генри сконструировал прообраз электромагнитного телеграфа, состоявшего из батареи и электромагнита, соединённых медным проводом, длинной в милю (1,85км), протянутого по стенам лекционного зала. Генри был доброжелателен, с мягким юмором. Как известному учёному и директору Смитсоновского института, к Генри обращались многие молодые учёные и изобретатели, стремясь получить его совет. Одним из таких посетителей в 1875 году был Александр Белл. Генри проявил интерес к экспериментальным аппаратам Белла. Когда Белл посетовал, что он не обладает необходимыми знаниями, Генри решительно сказал: «Так овладевай ими!». И в 1876 году экспериментальный телефон Белла (другой конструкции) демонстрировался на выставке в Филадельфии, на которой Генри был одним из экспертов электротехнической экспозиции. Генри похвалил «ценность изобретений Белла».

 

 

Русский физик Эмиль Христофорович Ленц (1804-1861) дал правило для определения направления индукционного тока: «Индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле затрудняет или тормозит вызывающее индукцию движение. Правило Ленца вытекает из закона сохранения и превращения энергии. Если бы индукционные токи ускоряли вызывающее их движение, то создавалась бы работа из ничего.