Скачать

А.М.Ампер – основоположник электродинамики

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет (ЛЭТИ)

Факультет электротехники и автоматики

Кафедра электротехнологической и преобразовательной техники

РЕФЕРАТ

на тему: А.М.Ампер – основоположник электродинамики

Санкт - Петербург

2001
СОДЕРЖАНИЕ

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”.

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 высказала 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/rⁿ ). Величину 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.

Электродинамика Ампера

До 1820 года Ампер обращался к изучению электричества лишь случайно. Однако с момента, когда появились первые сведения об открытии Эрстедом действий тока на магнит, и до конца 1826 года Ампер изучал явления электромагнетизма настойчиво и целеустремлённо. Ампер сам заявлял, что главный толчок его исследованиям в области электродинамики дало открытие Эрстеда. К открытию Ампером механических взаимодействий между проводниками, по которым протекает, учёного привели логические предпосылки: два проводника, на которые действует магнитная стрелка и каждый из которых в свою очередь по закону действия и противодействия действует на неё, должны каким-то образом действовать и друг на друга. Математические же знания помогли ему выявить, каким образом взаимодействие токов зависит от их расположения и формы.

В протоколе Академии наук от 18 сентября 1820 года, через неделю после того, как Амперу стало известно об опытах Эрстеда, были записаны следующие слова Ампера: “Я свёл явления, наблюдавшиеся Эрстедом, к двум общим фактам. Я показал, что ток, который находится в столбе, действует на магнитную стрелку, как и ток в соединительной проволоке. Я описал опыты, посредством которых констатировал притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки соединительным проводом. Я описал приборы, которые я намереваюсь построить, и, среди прочих, гальванические спирали и завитки. Я высказал ту мысль, что эти последние должны производить во всех случаях такой же эффект, как магниты. Я занимался также некоторыми подробностями поведения, приписываемого мною магнитам, как исключительного свойства, происходящего от электрических токов в плоскостях, перпендикулярных к их оси, и от подобных же токов, существование которых я допускаю в земном шаре, в связи с этим я свёл все магнитные явления к чисто электрическим эффектам.”

Проходит ещё неделя. На заседании 25 сентября 2001 года Ампер вновь выступает с сообщением, в котором он развивает ранее изложенные соображения. Протокольная запись Академии наук гласит: ”Я придал большое развитие этой теории и известил о новом факте притяжения и отталкивания двух электрических токов без участия какого-либо магнита, а также о факте, который я наблюдал со спиралеобразными проводниками. Я повторил эти опыты во время этого заседания.”

Затем выступления Ампера в Академии наук следовали одно за другим. Это было в жизни Ампера время, когда он весь был поглощён опытами и разработкой теории.

Работы Ампера, относящиеся к электродинамике, развивались логически и прошли через несколько этапов, будучи тесно между собой связанными. Начальные его исследования в этой области касались выяснения действий электрической цепи, по которой проходит ток, на другую цепь и оценивали явления лишь качественно. Ампер был первым, кто обнаружил действие тока на ток, он был первым, кто поставил опыты для выяснения этого.

Ранние работы Ампера по электродинамике позволяют предполагать, что его начальные представления об электричестве сводилось к “макроскопическим” токам: частицы в стержне стального магнита действовали как пары, составляющие вольтов столб, и, таким образом, вокруг стержня оказывался соленоидообразный электрический ток. Мысль о молекулярных электрических токах у него возникла позднее.

Исходным материалом для Ампера служили опыты и наблюдения. Экспериментируя, он пользовался разнообразными приёмами и аппаратурой, начиная с простых комбинаций проводников или магнитов и кончая построением довольно сложных приборов. Результаты опытов и наблюдений служили для него основанием для объяснения характеристик или свойств явлений, создания теории и указания возможных практических выводов. Затем Ампер математически обосновывал высказанную им теорию; это иногда требовало специальных математических методов, чем Амперу и приходилось попутно заниматься. В итоге Ампер создал прочное основание для нового раздела физики, названного им электродинамикой.

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.

Ампер чётко указывает на различие между взаимодействием зарядов и взаимодействием токов: взаимодействие токов, прекращается с размыканием цепи; в электростатике притяжение обнаруживается при взаимодействии разноимённых электричеств, отталкивания – при одноимённых; при взаимодействии токов картина обратная: токи одного направления притягиваются, а разных знаков – отталкиваются. Кроме того, он обнаружил, что притяжение и отталкивание токов в вакууме происходит так же, как в воздухе.

Перейдя к исследованию взаимодействий между током и магнитом, а также между двумя магнитами, Ампер приходит к выводу о том, что магнитные явления вызываются исключительно электричеством. Основываясь на этой своей идее, он высказывает мысль о тождестве природного магнита и контура с током, названного им соленоидом, то есть замкнутый ток должен считаться эквивалентным элементарному магниту, который можно себе представить в виде “магнитного листка” – бесконечно тонкой пластины магнитного материала. Ампер формулирует следующую теорему: какой угодно малый замкнутый ток действует на любой магнитный полюс так же, как будет действовать малый магнит, помещённый на месте тока, имеющий ту же магнитную ось и тот же магнитный момент. Мысль о тождестве действия магнитного листка и элементарного кругового тока подтвердилась математически посредством теоремы Ампера о преобразовании двойного интеграла по поверхности в простой интеграл по контуру.

Другой параграф рассматриваемого мемуара 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 = ii¢ds ds¢/rⁿ × Ф( e, q, q¢ ),

где i и i¢- электрические токи; ds и ds¢- длины элементов проводника; r – расстояние между срединами токов; q и q¢ - 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 = ii¢ds ds¢/r² × (cos e - 3/2 cos q cos q¢ ).

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.

Другие труды Ампера

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 други 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 преведено 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.”

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.

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

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

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