Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Они изменяли расстояние центра стрелки от проводника. Оказалось, что сила, действующая на стрелку, зависит от расстояния иначе, чем в законах Ньютона и Кулона. Величина силы уменьшалась обратно пропорционально величине расстояния, а не квадрату расстояния. Это казалось странным и непонятным ученым, привыкшим к тому, что сила взаимного притяжения двух тел и сила взаимодействия электрических зарядов во всех случаях была обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Необычная зависимость силы от расстояния заинтересовала знаменитого французского астронома, физика и математика П. С. Лапласа. Он был большим авторитетом в мире науки и его заинтересованность сама по себе говорила о важности проблемы. Обсуждая результат Био и Савара он показал, что странный вид зависимости силы от расстояния объясняется тем, что на магнитную стрелку действует длинный провод. Если мысленно разделить провод на короткие участки и вычислять зависимость силы, действующей на стрелку, от каждого участка, то в формулу войдет обратная пропорциональность квадрата расстояния этого участка от стрелки.

Вспомним, что в математическую формулу закона тяготения и закона Кулона входит квадрат расстояния только потому, что они записаны для точечных масс и зарядов. Они сохраняют свой простой вид только для тел сферической формы и только, если расстояния измеряются между центрами этих сфер. Для тел иной формы формулы усложняются. По-видимому Лаплас был первым, обратившим внимание на это обстоятельство.

Так началось широкое наступление на тайну, связывающую электричество с магнетизмом.

Целый ряд важнейших результатов в этой области получил многосторонний французский ученый, прежде всего физик и математик, А. М. Ампер. 18 сентября 1820 года он сообщил Парижской академии наук об открытом им взаимодействии двух проводников, по которым проходят электрические токи. Согласные токи, то есть токи, текущие в двух проводниках в одинаковом направлении, взаимно притягиваются. Встречные токи вызывают взаимное отталкивание проводников.

Сохранилось предание о том, что после доклада Ампера один из присутствующих заметил: но что же нового в том, что вы нам рассказали? Мы знаем, что два проводника с током влияют на магнитную стрелку, ясно, что они должны действовать и друг на друга!

Ампер не знал, что возразить. Тогда вмешался Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Каждый из них влияет на магнитную стрелку, но они не действуют друг на друга».

Реакция Лапласа была иной. После доклада Ампера, сопровождавшего демонстрацией, Лаплас спросил ассистента, показывавшего опыт: «А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?»

Оригинальность хода мыслей Ампера привела его к великому открытию. Мы уже упоминали об опыте Араго, обнаружившего притяжение железных опилок к проводнику, сквозь который проходит электрический ток. Все объяснили это тем, что электрический ток превращает проводник в магнит. Притяжение «согласных токов» видимым образом противоречит этому мнению.

Гений Ампера подсказал ему противоположное решение: не проводник становится магнитом, а магнит представляет собой совокупность круговых токов. Если это справедливо, то множество круговых токов, заполняющих прямой магнит, взаимодействуют между собой так, что все токи становятся параллельными, а их плоскости — перпендикулярными оси магнита. Ампер имел в виду кольцевые токи, протекающие по окружности малого размера, не уточняя их физическую природу.

Но он представил себе и макроскопическую модель этой совокупности. И реализовал такую модель. Он намотал спираль из металлической проволоки. Длина спирали была много больше, чем диаметр ее витков.

Ампер предполагал, что при прохождении электрического тока по виткам спирали она приобретет свойства магнита. Опыт блестяще подтвердил его рассуждения.

Затем он убедился в том, что одиночный виток проволоки ведет себя, как железная пластинка, намагниченная поперек ее плоскости.

Ампер стремился к краткости. Поэтому он создал много терминов, способных заменить многократное повторение длинных описаний. Таковы электростатика — взаимодействие неподвижных зарядов, электродинамика — взаимодействие движущихся зарядов или токов, соленоид — спираль из проволоки, магнитостатика — взаимодействие неподвижных магнитов, электромагнитное взаимодействие — взаимодействие токов и магнитов, и другие термины, применяемые и в наши дни.

Написав формулу взаимодействия элементарных токов, Ампер вывел из нее закон Био и Савара, а также закон Кулона для статического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две системы токов. Таким путем он смог объяснить «поворачивающую силу» Эрстеда, сведя ее к взаимодействию элементарных витков — магнитиков, направленному вдоль соединяющей их прямой.

Так Амперу удалось возродить механическую концепцию, поколебленную опытом Эрстеда. Но, как мы скоро увидим, трещина была скрыта только на поверхности, но продолжала существовать. Она вскрылась вновь спустя несколько десятилетий.

УРОЖАЙНЫЕ ГОДЫ. ТРАГЕДИЯ МАЙЕРА

События, описанные в предыдущем разделе, возникли взрывообразно в течение 1820–1821 годов главным образом благодаря трудам Эрстеда и Ампера.

Последующие годы тоже были урожайными. Еще в 1821 году немецкий физик Т. Зеебек исследовал влияние нагревания на прохождение электрического тока через проводники. Случай и наблюдательность привели его к открытию. Он припаял кусок висмута к концам медной спирали так, что образовался замкнутый проводник. Если один из спаев был теплее другого, то магнитная стрелка, помещенная вблизи конца спирали, отклонялась, как если бы спираль превращалась в магнит.

Зеебек понял, что это указывает на прохождение по спирали электрического тока, который шел через холодный спай от меди к висмуту, а через теплый спай от висмута к меди. Ток тек непрерывно в течение всего времени, пока сохранялась разница между температурами обоих спаев. Это был новый «вечный» источник электрического тока.

Эрстед в 1823 году назвал этот ток термоэлектрическим током. В этом же году Эрстед и французский математик и физик Ж. Фурье независимо установил, что термоэлектрический ток обладает свойством суперпозиции. Это значит, что напряжения, возникающие при последовательном соединении двух спаев разнородных металлов, складываются, если оба «левых» и оба «правых» спая имеют одинаковую температуру, но температуры «левых» спаев отличаются от температуры «правых». Так, наращивая спаи один за другим, и в наши дни создают термоэлектрические батареи, преобразующие тепловую энергию в электрическую. Одиночные термопары позволяют точно и надежно измерять разность температур между двумя спаями разнородных металлов.

В 1824 году Араго обратил внимание на то, что стрелка компаса, заключенная в медный корпус, движется медленнее, чем в корпусе, изготовленном из изолирующего материала. Иначе, чем наитием не назовешь его решение поместить над стрелкой компаса медный диск. Диск мог вращаться вокруг оси, являющейся продолжением оси, на которой укреплена стрелка. Произошло чудо — при вращении диска стрелка отклонилась! Изменение направления вращения диска заставило стрелку отклониться в противоположную сторону…

Не кажется ли тебе, читатель, что ученые подобны детям, складывающим из отдельных кубиков картинку? Но в отличие от детской игры у ученых нет этой картинки! Они — наоборот — перебирают кубики до тех пор, пока у них не складывается картинка, отражающая