Основные труды Ампера в области электродинамики. Автор первой теории магнетизма. Предложил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера).
Ампер провел ряд экспериментов по исследованию взаимодействия между электрическим током и магнитом, для которых сконструировал большое количество приборов. Обнаружил действие магнитного поля Земли на движущиеся проводники с током.
Открыл (1820) механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера). Сводил все магнитные взаимодействия к взаимодействию скрытых в телах круговых молекулярных электрических токов, эквивалентных плоским магнитам (теорема Ампера). Утверждал, что большой магнит состоит из огромного количества элементарных плоских магнитов. Последовательно проводил чисто токовую природу магнетизма.
Андре Мари Ампер открыл (1822) магнитный эффект катушки с током (соленоида). Высказал идею об эквивалентности соленоида с током и постоянного магнита. Предложил помещать металлический сердечник из мягкого железа для усиления магнитного поля. Высказал идею использования электромагнитных явлений для передачи информации (1820). Ампер изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф (1829). Сформулировал понятие «кинематика». Проводил также исследования по философии и ботанике.
Детство и юность
Предки Андре Мари Ампера были ремесленниками, жившими в окрестностях Лиона. Их профессиональный и культурный уровень быстро возрастал от поколения к поколению, и прадед ученого, Жан Жозеф был не только опытным каменотесом, но и выполнял сложные строительные и реставрационные работы, а его сын Франсуа уже стал типичным просвещенным городским буржуа, представителем довольно зажиточного третьего сословия, и женился на дворянке. Отец Андре Мари, Жан Жак Ампер получил хорошее образование, владел древними языками, составил себе прекрасную библиотеку, живо интересовался идеями просветителей. Воспитывая детей, он вдохновлялся педагогическими принципами Жан Жака Руссо. Его политическим идеалом была конституционная монархия.
Революция застала Жан Жака Ампера на купленной незадолго до этого должности королевского прокурора и королевского советника в Лионе. Падение Бастилии семья Амперов встретила с энтузиазмом. Но вскоре на нее обрушилась беда. Жан Жак придерживался умеренных взглядов, и поплатился за это. В Лионе начал свирепствовать одержимый мистическими идеями лютый якобинец, который клеветал на ни в чем не повинных людей и именем революции вместе со своими подручными обрушивал на них кары. Лионцы восстали против зверств якобинцев, восстание было подавлено и жирондист Жан Жак Ампер (хотя его действия, фактически, были, как раз, продиктованы намерением спасти вожаков-якобинцев от ярости толпы) был гильотинирован 24 ноября 1793 г. Это было страшное потрясение для Андре Мари и всей его семьи (к тому же перенесшей недавно еще один удар - от туберкулеза умерла Антуанетта, старшая из сестер).
Можно сказать, что спасли Андре Мари, вернули его к жизни книги. Читать он начал примерно с четырех лет, в 14 лет залпом прочитал все 20 томов «Энциклопедии» Дени Дидро и Жана Лерона Д"Аламбера, чтобы читать труды Бернулли и Эйлера, в несколько недель изучил латинский язык. Чтение вообще было не только главным, но и единственным источником его знаний.
Других учителей у Ампера не было, он никогда не ходил в школу, не сдал за всю свою жизнь ни одного экзамена. Но он постоянно и много черпал из книг. И Ампер не просто читал, он изучал, творчески усваивая прочитанное. Не случайно уже в 12-14 лет он начал представлять математические мемуары в Лионскую академию, писал научные труды по ботанике, изобретал новые конструкции воздушных змеев, трудился над созданием нового международного языка и даже совмещал все это с сочинением эпической поэмы.
Перенесенные душевные травмы почти на два года выбили Андре Мари из колеи. Только к 20 годам он вновь обретает тягу к книгам и знаниям. Но Ампер по-прежнему, на взгляд многих окружающих, ведет себя странно. Часто бродит в одиночестве, неуклюжий и неряшливо одетый, порой громко и размеренно скандируя латинские стихи, или разговаривая сам с собой. К тому же, он очень близорук (он узнает об этом только приобретя очки, что стало для него знаменательным событием!).
Наверное, одним из главных импульсов, вернувших Ампера к активной жизни, стала его встреча с золотоволосой Катрин Каррон. Ампер влюбился срезу и навсегда, но согласия на свадьбу удалось добиться только через три года. Большую поддержку Амперу оказала Элиза, сестра Катрин, раньше других понявшая и оценившая его редкостные душевные качества. В августе 1800 г. родился сын Амперов, которого в честь деда назвали Жан Жаком.
В Бурге и Лионе
Еще до женитьбы Андре Ампер начал преподавать, давая частные уроки по математике. Теперь же ему удалось выхлопотать место учителя в Центральной школе г. Бурга. Пройдя в феврале 1802 собеседование в Комиссии, он был признан подготовленным для проведения занятий. Обстановка в бургской школе была убогой, и Ампер пытался хотя бы немного усовершенствовать физический и химический кабинеты, хотя денег для этого ни у школы, ни, тем более, у учителя не было. Жалование было очень небольшим, а приходилось жить отдельно от жены и ребенка, оставшихся в Лионе. Хотя чем могла помогала мать Ампера, ему приходилось искать дополнительного заработка, давая еще уроки в частном пансионе Дюпра и Оливье.
Несмотря на большую педагогическую нагрузку, Ампер не оставляет научную работу. Именно в это время во вступительной лекции в Центральной школе в 1802, а еще раньше - на заседании Лионской академии, в присутствии Вольта, он впервые высказывает мысль, что магнитные и электрические явления могут быть объяснены, исходя из единых принципов.
Не ослабевают и его усилия в области математики. Здесь на первый план выходят исследования по теории вероятностей. Они были замечены в Академии наук, где, в частности, на них обратил внимание Пьер Симон Лаплас. Это явилось основанием для признания Ампера подходящим на должность преподавателя в открывавшемся тогда Лионском лицее. Его кандидатура была выдвинута Д"Аламбером. В апреле 1803 декретом Консульства Ампер был назначен на желанное для него место преподавателя лицея. Однако, Ампер оставался в Лионе меньше двух лет.
Уже в середине октября 1804 он был зачислен на должность репетитора Политехнической школы в Париже и переехал туда.
Первое десятилетие в Париже
Переезд в Париж произошел вскоре после того, как Ампер овдовел. Потеря обожаемой жены повергла его в отчаяние и религиозное смятение. Может быть, еще и поэтому Ампер, несмотря на мольбы его матери, поспешил оставить Лион, чтобы начать в Париже преподавание в организованной десять лет назад Политехнической школе.
Начав работать репетитором, Ампер уже в 1807 приступил к самостоятельным занятиям, а вскоре он стал профессором математического анализа. Вскоре в Политехнической школе появился 24-летний Араго, с которым Ампер проводил впоследствии важные совместные исследования. Отношение к Амперу коллег, среди которых было немало действительно крупных ученых, было вполне благожелательным, его работа шла успешно, но душевная рана, нанесенная потерей жены, была мучительной. Движимые лучшими чувствами друзья Ампера познакомили его с семейством, в котором была дочь «на выданье», 26-летняя Жанна Франсуаза. Жертвой торгашеской алчности и грубого эгоизма этой женщины и всего ее семейства вскоре и стал доверчивый, простодушный и беззащитный в своей наивности Ампер, которого через некоторое время попросту выгнали из дома, и ему пришлось обрести временный кров в Министерстве внутренних дел.
Число профессиональных обязанностей Ампера тем временем возрастало. Он назначается на должность профессора математического анализа и экзаменатора по механике в первом отделении Политехнической школы, работает (до 1810) в Консультативном бюро искусств и ремесел и с осени 1808 в должности главного инспектора университета. Эта последняя работа, взяться за которую Ампера вынудили стесненные материальные обстоятельства, требовала постоянных разъездов, отнимала особенно много времени и сил. Он отдал этой изнурительной работе 28 лет, и последняя командировка закончилась на дороге в Марсель в 1836 г. его кончиной.
Перегрузка работой и житейские невзгоды не могли не отразиться на научной продуктивности Ампера. Это особенно заметно на его исследованиях в области математики, хотя за ним сохранялось почетное право посещать заседания Академии наук и представлять мемуары. В меньшей мере спад научной активности коснулся химии, с видными представителями которой Ампер плодотворно общался. Почти весь 1808 его увлекали идеи, которые впоследствии стали относить к области атомистики
Но периодом резкого взлета научной активности, временем его главных достижений оказались годы после его избрания в 1814 в Академию наук.
После избрания в Академию
Ампер был избран в число членов Парижской Академии наук по секции геометрии 28 ноября 1814. Круг его научных и педагогических интересов к тому времени уже вполне определился, и ничто, казалось бы, не предвещало здесь заметных изменений. Но пора этих изменений уже приближалась, близилось второе десятилетие девятнадцатого века, время самых главных научных свершений Ампера. В 1820 Ампер узнал об опытах, которые незадолго до того проводил датский физик Ганс Христиан Эрстед. Он обнаружил, что протекающий по проводу ток оказывает воздействие на расположенную возле провода магнитную стрелку.
4 и 11 сентября Араго сделал в Париже сообщение об этих работах Эрстеда и даже повторил некоторые из его экспериментов. Большого интереса у академиков это, впрочем, не вызвало, но Ампера захватило полностью. Вопреки своему обыкновению, он выступил здесь не только как теоретик, но занялся в маленькой комнатке своей скромной квартиры проведением опытов, для чего даже собственноручно изготовил столик; эта реликвия сохраняется поныне в Коллеж де Франс. Он отложил все остальные дела и 18 и 25 сентября 1820 сделал свои первые сообщения об электромагнетизме. Фактически за эти две недели Ампер пришел к своим самым главным научным результатам. Влияние этих трудов Ампера на многие отрасли науки - от физики атома и элементарных частиц до электротехники и геофизики - невозможно переоценить.
В 1785-88 гг. Шарль Огюстен Кулон провел свои классические экспериментальные исследования законов взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Эти опыты были в русле той грандиозной научной программы, которая была намечена трудами самого Ньютона, имея в качестве великого образца закон всемирного тяготения, изучать все возможные типы имеющихся в природе сил.
Многим тогда казалось, что между электричеством и магнетизмом - полный параллелизм: что есть электрические, а есть и магнитные заряды, и у мира электрических явлений есть во всем подобный ему мир явлений магнитных. Открытие Эрстеда многими толковалось тогда так, что под действием тока провод, по которому этот ток протекает, намагничивается, а потому и действует на магнитную стрелку. Ампер выдвинул принципиально новую, радикальную и даже, на первый взгляд, дерзкую идею: никаких магнитных зарядов в природе вообще не существует, есть только электрические заряды, и магнетизм возникает только из-за движения электрических зарядов, т. е. из-за электрических токов.
Прошло без малого двести лет с того момента, когда Ампер выступил с этой гипотезой, и, казалось бы, пора разобраться, был ли он прав (и тогда название «гипотеза» делается неуместным), или же от нее нужно отказаться. Первое впечатление: гипотезе Ампера противоречит даже сам факт существования постоянных магнитов: ведь никаких токов, ответственных за возникновение магнетизма, здесь, вроде бы, нет! Ампер возражает: магнетизм порождается огромным числом крошечных электрических атомных контуров тока (можно только поражаться, что такая глубочайшая идея могла появиться в ту пору, когда не только еще не знали ничего об устройстве атомов, но даже еще не существовало и слово «электрон»!) Каждый такой контур выступает как «магнитный листок» - элементарный магнитный двухполюсник. Этим и объясняется, почему магнитные заряды одного знака - «магнитные монополи», в отличие от монополей электрических, в природе не встречаются.
Почему же все-таки и поныне «гипотеза»? Ведь уже не раз казалось, что найдены «магниты», в которых электрических зарядов нет. Вот, к примеру, нейтрон. У этой частицы нулевой электрический заряд, но есть магнитный момент. Опять «момент», т. е. опять магнитный двухполюсник, и его появление вновь объясняется в нынешней теории элементарных частиц «микроскопическими» токами, только теперь уже не внутри атома, а внутри нейтрона. Так можно ли уверенно утверждать, что магнетизм всегда порождается движением электрических зарядов? Гипотеза Ампера в такой заостренной формулировке принимается не всеми теоретиками. Больше того, некоторые варианты теории говорят о том, что магнитные монополи («однополюсники») должны проявляться, но только при огромных, недостижимых для нас сегодня энергиях.
Гипотеза Ампера явилась важным принципиальным шагом к утверждению идеи о единстве природы. Но она поставила перед исследователями ряд новых вопросов. В первую очередь, потребовалось дать полную и замкнутую теорию взаимодействия токов. Эту задачу с подлинным блеском, действуя как теоретик и как экспериментатор, решил сам Ампер. Чтобы найти, как взаимодействуют токи в различных контурах, ему пришлось сформулировать законы магнитного взаимодействия отдельных элементов тока («Закон Ампера») и воздействия токов на магниты («правило Ампера»). По существу, была создана новая наука об электричестве и магнетизме, и даже термин «Электродинамика» был введен одним из замечательных ученых прошлого, Андре Мари Ампером. (В. И. Григорьев)
Еще об Андре Мари Ампере:
Французский ученый Ампер в истории науки известен, главным образом, как основоположник электродинамики. Между тем он был универсальным ученым, имеющим заслуги и в области математики, химии, биологии и даже в лингвистике и философии. Это был блестящий ум, поражавший своими энциклопедическими знаниями всех близко знавших его людей.
Исключительные способности Андре проявились еще в раннем возрасте. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Читал мальчик все подряд, что находил в отцовской библиотеке. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математическим наукам. Но как раз в этой области отцовской библиотеки явно не хватало, и Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.
Родители пригласили к Андре учителя математики. Уже при первой встрече он понял, с каким необыкновенным учеником имеет дело «Знаешь ли ты, как производится извлечение корней?» - спросил он Андре «Нет, - ответил мальчик, - но зато я умею интегрировать!» Вскоре учитель отказался от уроков, так как его знаний явно не хватало для обучения такого ученика.
Изучение трудов классиков математики и физики было для юного Ампера творческим процессом. Он не только читал, но и критически воспринимал прочитанное. У него возникали свои мысли, свои оригинальные идеи. Именно в этот период, в возрасте тринадцати лет, он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике.
В 1789 году началась Великая французская буржуазная революция. Эти события сыграли трагическую роль в жизни Ампера. В 1793 году в Лионе вспыхнул мятеж, который вскоре был подавлен. За сочувствие мятежникам был обезглавлен Жан-Жак Ампер. Смерть отца Андре переживал очень тяжело; он был близок к потере рассудка Лишь год спустя, с трудом обретя душевное равновесие, он смог вернуться к своим занятиям.
Казнь отца имела и другие последствия. По приговору суда почти все имущество семьи было конфисковано, и ее материальное положение резко ухудшилось. Андре пришлось думать о средствах к существованию. Он решил переселиться в Лион и давать частные уроки математики до тех пор, пока не удастся устроиться штатным преподавателем в какое-либо учебное заведение.
В 1799 году Ампер женился на Катрин Каррон. В следующем году у них родился сын, названный в честь отца - Жан-Жаком. Позднее он стал одним из известнейших историков французской литературы. Это радостное событие было омрачено болезнью Катрин. Расходы на жизнь неуклонно росли. Несмотря на все старания и экономию, средств, заработанных частными уроками, не хватало. Наконец, в 1802 году Ампера пригласили преподавать физику и химию в Центральную школу старинного провинциального города Бурк-ан-Бреса, в шестидесяти километрах от Лиона. С этого момента началась его регулярная преподавательская деятельность, продолжавшаяся всю жизнь.
Ампер мечтал перестроить традиционное преподавание курса физики. Вместо этого - скучные преподаватели-чиновники, убогая лаборатория и бедный физический кабинет, повседневные будничные заботы. Однако он много работал, восполняя пробелы в своих знаниях Вместе с тем его не покидала надежда возвратиться в Лион к жене и сыну. И вскоре она осуществилась. 4 апреля 1803 года Ампер был назначен преподавателем математики Лионского лицея. Счастливым он возвратился в Лион, но вскоре тяжелый удар обрушился на Ампера - умерла его жена.
В конце 1804 года Ампер покинул Лион и переехал в Париж, где он получил должность преподавателя знаменитой Политехнической школы. Эта высшая школа была организована в 1794 году и вскоре стала национальной гордостью Франции. Основная задача школы заключалась в подготовке высокообразованных технических специалистов с глубокими знаниями физико-математических наук.
В Париже Ампер чувствовал себя одиноким. Он находился всецело во власти воспоминаний о своей недолгой счастливой жизни. Это - главная тема его писем к родным и друзьям. Он и ранее слыл чудаковатым и рассеянным человеком. Теперь же эти черты его характера стали еще более заметными. К ним прибавилась чрезмерная неуравновешенность. Все это мешало ему хорошо излагать своим слушателям материал, которым он в действительности владел превосходно.
Несколько важных событий произошло в жизни Ампера в это время: в 1806 году он вступил во второй брак, в 1807 году был назначен профессором Политехнической школы. В 1808 году ученый получил место главного инспектора университетов. Все это улучшило его материальное положение и принесло некоторое успокоение, но ненадолго. Второй брак был очень неудачным, его новая жена Женни Пото оказалась весьма вздорной и ограниченной особой. Ампер прилагал много усилий, чтобы как-то примириться с ней во имя дочери, рожденной от этого брака. Однако его усилия оказались тщетными. К переживаниям на этой почве прибавились новые - в 1809 году скончалась мать Ампера. Эти печальные события не могли не сказаться на его научной деятельности. Тем не менее в период между 1809 и 1814 годами Ампер опубликовал несколько ценных работ по теории рядов.
Время расцвета научной деятельности Ампера приходится на 1814- 1824 годы и связано, главным образом, с Академией наук, в число членов которой он был избран 28 ноября 1814 года за свои заслуги в области математики.
Практически до 1820 года основные интересы ученого сосредоточивались на проблемах математики, механики и химии. Вопросами физики в то время он занимался очень мало: известны лишь две работы этого периода, посвященные оптике и молекулярно-кинетической теории газов. Что же касается математики, то именно в этой области Ампер достиг результатов, которые и дали основание выдвинуть его кандидатуру в Академию по математическому отделению.
Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники. Уже его первая опубликованная математическая работа, посвященная теории вероятностей, носила, по существу, прикладной характер и называлась «Соображения о математической теории игры» (1802). Вопросы теории вероятностей интересовали его и в дальнейшем.
В исследовании многих проблем физики и механики большое значение имеют так называемые дифференциальные уравнения в частных производных. Решение таких уравнений связано со значительными математическими трудностями, над преодолением которых работали крупнейшие математики. Свой вклад в математическую физику, как называют этот раздел науки, внес и Ампер. Только в одном 1814 году он выполнил несколько работ, получивших высокую оценку видных французских математиков, в частности, Далласа, Лагранжа и Пуассона.
Не оставляет он и занятий химией. К его достижениям в области химии следует отнести открытие, независимо от Амедео Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов. Его по праву следует называть законом Авогадро-Ампера. Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их свойств. Но не эти исследования, интересные сами по себе, и не его математические работы сделали имя Ампера знаменитым. Классиком науки, всемирно известным ученым он стал благодаря своим исследованиям в области электромагнетизма.
В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока - создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед - открыл взаимодействие токов.
Ампер установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.
О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В докладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты.
Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? - спросил Ампера один из его противников. - Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Ампер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел 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, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
Несмотря на нападки своих научных противников. Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука - электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Джеймса Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели.
С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время. Ампер сообщал: «Я принужден 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».
Слава Ампера быстро росла, особенно лестно ученые отзывались о его экспериментальных работах по электромагнетизму. Его посещали знаменитые физики, он получил ряд приглашений из других стран выступить с докладами о своих работах. Но здоровье его было подорвано, неустойчивым было и материальное положение. Его тяготила работа в Политехнической школе и инспекторские обязанности. Он по-прежнему мечтал читать курс физики, а не математики, и читать нетрадиционно, включив в курс новый раздел - электродинамику, творцом которой он сам являлся. Наиболее подходящим местом для этого было одно из старейших учебных заведений Франции - Коллеж де Франс. После многих неприятностей и интриг в 1824 году Ампер был избран на должность профессора Коллеж де Франс. Ему предоставили кафедру общей и экспериментальной физики.
Последние годы жизни Ампера были омрачены многими семейными и служебными неприятностями, тяжело отражавшимися на его и без того слабом здоровье. Внешние признаки успеха не принесли материального благополучия. Он по-прежнему был вынужден уделять много времени чтению лекций в ущерб своим научным занятиям. Но науку он не оставлял.
В 1835 году Ампер опубликовал работу, в которой доказал сходство между световым и тепловым излучениями и показал, что все излучения при поглощении превращаются в тепло. К этому же времени относится увлечение Ампера геологией и биологией. Он принял активное участие в научных спорах между знаменитыми учеными Кювье и Сент-Иллером, предшественниками эволюционной теории Чарлза Дарвина, и опубликовал две биологические работы, в которых изложил свою точку зрения на процессе эволюции. На одном из диспутов противники идеи эволюции живой при роды спросили Ампера, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки. На это Ампер ответил: «Я убедился в том, что человек возник по закону, общему для всех животных».
Другим увлечением Ампера была классификация наук. Эта важная в методологическом и общенаучном плане проблема интересовала Ампера давно, еще со времени его работы в Бурк-ан-Бресе. Он разработал свою систему классификации наук, которую намеревался изложить в двухтомном сочинении. В 1834 году вышел первый том «Опыты философии наук или аналитического изложения естественной классификации всех человеческих знаний». Второй том был издан сыном Ампера уже после его смерти.
Ампер был большим мастером изобретать новые научные термины. Именно он ввел в обиход ученых такие слова, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид». Ампер высказал мысль о том, что в будущем, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именовать ее «кибернетикой» Предвидение Ампера оправдалось.
Андре-Мари Ампер (20 января 1775 — 10 июня 1836) — знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук (1814). Член многих академий наук, в частности иностранный. Почетный иностранный член Петербургской академии наук (1830), один из основоположников электродинамики. Выдающийся ученый в честь которого названа одна из основных электрических величин — единица силы тока — ампер. Автор самого термина «электродинамика» как наименования учения об электричестве и магнетизме, один из основоположников этого учения.
Основные труды Ампера в области электродинамики. Автор первой теории магнетизма. Предложил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера).
Детство и юность Андре Мари Ампера
Предки Андре Мари Ампера были ремесленниками, жившими в окрестностях Лиона. Их профессиональный и культурный уровень быстро возрастал от поколения к поколению, и прадед ученого, Жан Жозеф был не только опытным каменотесом, но и выполнял сложные строительные и реставрационные работы, а его сын Франсуа уже стал типичным просвещенным городским буржуа, представителем довольно зажиточного третьего сословия, и женился дворянкой. Отец Андре Мари, Жан Жак Ампер получил хорошее образование, владел древними языками, собрал великолепную библиотеку, живо интересовался идеями просветителей. Воспитывая детей, он вдохновлялся педагогическими принципами Жан Жака Руссо. Его политическим идеалом была конституционная монархия.
Революция застала Жан Жака Ампера на купленной незадолго до этого должности королевского прокурора и королевского советника в Лионе. Падение Бастилии семья Ампер встретила с энтузиазмом. Но вскоре на нее обрушилась беда. Жан Жак придерживался умеренных взглядов и поплатился за это. В Лионе начал свирепствовать одержимый мистическими идеями февраля доминиканец, который клеветал на ни в чем не повинных людей и именем революции вместе со своими подручными обрушивал на них кары. Лионцы восстали против зверств якобинцев, восстание было подавлено и жирондисты Жан Жак Ампер (хотя его действия, фактически, были как раз продиктованы намерением спасти вожаков-якобинцев от ярости толпы) был гильотинирован 24 ноября 1793. Это была страшная трагедия для Андре Мари и всей его семьи (к тому же семья недавно перенесла еще один удар — от туберкулеза умерла Антуанетта, старшая из сестер).
Можно сказать, что спасли Андре Мари, вернули его к жизни книги. Читать он начал примерно с четырех лет, в 14 лет залпом прочитал все 20 томов «Энциклопедии» Дени Дидро и Жана Лерон Д’Аламбера, а для того чтобы читать труды Бернулли и Эйлера, за несколько недель изучил латинский язык. Чтение вообще было не только главным, но и единственным источником его знаний.
Других учителей в Ампера не было, он никогда не ходил в школу, не сдал за всю свою жизнь ни экзамена. Но он постоянно и много черпал из книг. И Ампер не просто читал, он изучал, творчески усваивая прочитанное. Не случайно уже в 12-14 лет он начал представлять математические мемуары в Лионскую академию, писал научные труды по ботанике, изобретал новые конструкции воздушных змеев, трудился над созданием новой международной языка и даже совмещал все это с творением эпической поэмы.
Перенесенные душевные травмы почти на два года выбили Андре Мари из колеи. Только к 20 годам он вновь обретает тягу к книгам и знаниям. Но Ампер прежнему на взгляд многих окружающих, ведет себя странно. Часто бродит в одиночестве, неуклюжий и неряшливо одетый, порой громко и размеренно скандирует латинские стихи или разговаривает сам с собой. К тому же, он очень близорук (он узнает об этом только приобретя очки, что стало для него знаменательным событием!).
Наверное, одним из главных импульсов, который вернул Ампера к активной жизни, стала его встреча с золотоволосой Катрин Каррон. Ампер влюбился сразу и навсегда, но согласия на свадьбу удалось добиться только через три года. Большую поддержку Амперу сделала Элиза, сестра Катрин, раньше других поняла и оценила его редкие душевные качества. В августе 1800 родился сын Ампера, которого в честь деда назвали Жан Жаком.
История из жизни Ампера
Физик Андре Ампер был очень рассеянным человеком. Однажды он был в гостях. Начался сильный дождь, и хозяин предложил Амперу остаться ночевать и тот согласился. Через несколько минут хозяин решил посмотреть, как устроился его гость, всё ли в порядке. Он постучал в дверь, ответа не было. Заглянул в комнату - она была пуста. И вдруг раздался звонок. Хозяин открыл дверь и увидел промокшего и растрепанного Ампера.
Куда же вы ходили?
- Домой, за пижамой, — ответил физик.
В Бурге и Лионе
Еще до женитьбы Андре Ампер начал преподавать, давая частные уроки по математике. Теперь же ему удалось выхлопотать место учителя в Центральной школе г. Бурга. Пройдя в феврале 1802 собеседование в Комиссии, он был признан подготовленным для проведения занятий. Обстановка в бурзьський школе была убогой и Ампер пытался хотя бы немного усовершенствовать физический и химический кабинеты, хотя денег для этого ни в школу, ни, тем более, у учителя не было. Плата была очень небольшой, а приходилось жить отдельно от жены и ребенка, оставшихся в Лионе. Хотя чем могла помогала мать Ампера, ему приходилось искать дополнительного заработка, давая еще уроки в частном пансионе Дюпра и Оливье.
Несмотря на большое педагогическую нагрузку, Ампер не оставляет научную работу. Именно в это время во вступительной лекции в Центральной школе в 1802 года, а еще раньше — на заседании Лионской академии, в присутствии Вольта, он впервые высказывает мысль, что магнитные и электрические явления могут быть объяснены, исходя из единых принципов.
Не ослабевает и его усилия в области математики. Здесь на первый план выходят исследования по теории вероятностей. Они были замечены в Академии наук, где, в частности, на них обратил внимание Пьер Симон Лаплас. Это стало основанием для признания Ампера подходящим на должность преподавателя в Лионском лицее, который только открывался. Его кандидатура была выдвинута Д’Аламбером. В апреле 1803 декретом Консульства Ампер был назначен на желанное для него место преподавателя лицея. Однако, Ампер оставался в Лионе меньше двух лет.
Уже в середине октября 1804 он был зачислен на должность репетитора Политехнической школы в Париже и переехал туда.
Первое десятилетие в Париже
Переезд в Париж произошел вскоре после того, как Ампер овдовел. Потеря любимой жены повергла его в отчаяние и религиозное смятение. Возможно, еще и поэтому Ампер, несмотря на мольбы его матери, поспешил оставить Лион, чтобы начать в Париже преподавание в организованной десять лет назад Политехнической школе.
Начав работать репетитором, Ампер уже в 1807 году приступил к самостоятельным занятиям, а вскоре он стал профессором математического анализа. Вскоре в Политехнической школе появился 24-летний Араго, с которым Ампер проводил впоследствии важные совместные исследования. Отношение к Ампера коллег, среди которых было немало действительно крупных ученых, было вполне доброжелательным, его работа шла успешно, но душевная рана, нанесенная потерей жены, была мучительной. Пытаясь как-то помочь друзья Ампера познакомили его с семейством, в котором была дочь «на выданье», 26-летняя Жанна Франсуаза. Жертвой торгашеской алчности и грубого эгоизма этой женщины и всего ее семейства вскоре и стал доверчивый, простодушный и беззащитный в своей наивности Ампер, которого через некоторое время попросту выгнали из дома, и ему пришлось найти временное пристанище в Министерстве внутренних дел.
Количество профессиональных обязанностей Ампера тем временем росла. Он назначается на должность профессора математического анализа и экзаменатора по механике в первом отделении Политехнической школы, работает (до 1810 года) в Консультативном бюро искусств и ремесел и с осени 1808 на должности главного инспектора университета. Эта последняя работа, взяться за которую Ампера вынудили стесненные материальные обстоятельства, требовала постоянных разъездов, отнимала особенно много времени и сил. Он отдал этой изнурительной работе 28 лет, и последняя командировка закончилась по дороге в Марсель в 1836 г. его кончиной.
Перегрузка работой и житейские невзгоды не могли не сказаться на научной продуктивности Ампера. Это особенно заметно на его исследованиях в области математики, хотя за ним сохранялось почетное право посещать заседания Академии наук и представлять мемуары. В меньшей степени спад научной активности коснулся химии, с видными представителями которой Ампер плодотворно общался. Почти весь 1808 его увлекали идеи, которые впоследствии стали относить к области атомистики.
Но периодом резкого взлета научной активности, временем его главных достижений оказались годы после его избрания в 1814 году в Академию наук.
После избрания в Академию
Андре Мари Ампер был избран в число членов Парижской Академии наук по секции геометрии 28 ноября 1814. Круг его научных и педагогических интересов к тому времени уже вполне определилось и ничто, казалось бы, не предвещало здесь заметных изменений. Но пора этих изменений уже приближалась, близилось второе десятилетие девятнадцатого века, время главных научных свершений Ампера. В 1820 Ампер узнал об опытах, которые незадолго до того проводил датский физик Ганс Христиан Эрстед. Он обнаружил, что ток, протекающий по проводу, влияет на расположенную возле провода магнитную стрелку.
4 и 11 сентября Араго сделал в Париже сообщение об этих работах Эрстеда и даже повторил некоторые из его экспериментов. Большого интереса у академиков это не вызвало, но Ампера захватило полностью. Вопреки своему обыкновению, он выступил здесь не только как теоретик, но занялся в маленькой комнатке своей скромной квартиры проведением опытов, для чего даже собственноручно изготовил столик; эта реликвия хранится поныне в Коллеж де Франс. Он отложил все другие дела и 18 и 25 сентября 1820 сделал свои первые сообщения о электромагнетизм. Фактически за эти две недели Ампер пришел к своим главным научных результатов. Влияние этих работ Ампера на многие отрасли науки — от физики атома и элементарных частиц до электротехники и геофизики — невозможно переоценить.
В 1785-88 гг. Шарль Огюстен Кулон провел свои классические экспериментальные исследования законов взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Эти опыты были в русле той грандиозной научной программы, которая была намечена трудами самого Ньютона, имея в качестве великого образца закон всемирного тяготения, изучать все возможные типы имеющихся в природе сил.
Многим тогда казалось, что между электричеством и магнетизмом — полный параллелизм: что есть электрические, а есть и магнитные заряды, и в мире электрических явлений есть во всем подобный ему мир явлений магнитных. Открытие Эрстеда многими толковалось тогда так, что под действием тока провод, которым этот ток протекает, намагничивается, а потому и действует на магнитную стрелку. Ампер выдвинул принципиально новую, радикальную и даже, на первый взгляд, дерзкую идею: никаких магнитных зарядов в природе вообще не существует, есть только электрические заряды, и магнетизм возникает только из-за движения электрических зарядов, через электрические токи.
Прошло почти двести лет с того момента, когда Андре Мари Ампер выступил с этой гипотезой и, казалось бы, пора разобраться, он прав (и тогда название «гипотеза» делается неуместным), или от нее нужно отказаться. Первое впечатление: гипотезе Ампера противоречит даже сам факт существования постоянных магнитов, ведь никаких токов, ответственных за возникновение магнетизма здесь, вроде, нет! Ампер возражает: магнетизм порождается огромным числом крошечных электрических атомных контуров тока (можно только удивляться, что такая глубокая идея могла появиться в ту пору, когда не только не знали ничего о строении атомов, но даже еще не существовало и слова «электрон» !). Каждый такой контур выступает как «магнитный листок» — элементарный магнитный двухполюсник. Этим и объясняется, почему магнитные заряды одного знака — «магнитные монополи», в отличие от монополей электрических, в природе не встречаются.
Почему же все-таки и поныне «гипотеза»? Ведь уже не раз казалось, что найдено «магниты», в которых электрических зарядов нет. Вот, например, нейтрон. В этой части нулевой электрический заряд, но есть магнитный момент. Опять «момент», то есть опять магнитный двухполюсник, и его появление вновь объясняется в нынешней теории элементарных частиц «микроскопическими» токами, только теперь уже не внутри атома, а внутри нейтрона. Так можно уверенно утверждать, что магнетизм всегда порождается движением электрических зарядов? Гипотеза Ампера в таком заостренном формулировке принимается не всеми теоретиками. Более того, некоторые варианты теории говорят о том, что магнитные монополи («однополюсникы») должны проявляться, но только при больших, недоступных для нас сегодня энергиях.
Гипотеза Ампера явилась важным принципиальным шагом к утверждению идеи о единстве природы. Но она поставила перед исследователями ряд новых вопросов. В первую очередь, нужно было дать полную и замкнутую теорию взаимодействия токов. Эту задачу блестяще, действуя как теоретик и как экспериментатор, решил сам Андре Мари Ампер. Чтобы узнать, как взаимодействуют токи в различных контурах, ему пришлось сформулировать законы магнитного взаимодействия отдельных элементов тока («закон Ампера») и действия токов на магниты («правило Ампера»). По сути, была создана новая наука об электричестве и магнетизме, и даже термин «электродинамика» был введен одним из гениальных ученых прошлого, Андре Мари Ампера.
Выдающийся ученый
Французский ученый Андре Мари Ампер в истории науки известен, главным образом, как основоположник электродинамики. Между тем он был универсальным ученым, имеет заслуги и в области математики, химии, биологии и даже в лингвистике и философии. Это был блестящий ум, поражавший своими энциклопедическими знаниями всех ближних людей.
Исключительные способности Андре проявились еще в раннем возрасте. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро. Читал мальчик все, что находил в отцовской библиотеке. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математических наук. Но именно в этой области отцовской библиотеки явно не хватало и Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.
Родители пригласили для Андре учителя математики. Уже при первой встрече он понял, с каким необыкновенным учеником имеет дело. «Знаешь ли ты, как производится нахождения корней» — спросил он Андре. «Нет, — ответил мальчик, — но зато я умею интегрировать!» Вскоре учитель отказался от уроков, так как его знаний явно не хватало для обучения такого ученика.
Изучение трудов классиков математики и физики было для юного Ампера творческим процессом. Он не только читал, но и критически воспринимал прочитанное. У него возникали свои мысли, свои оригинальные идеи. Именно в этот период, в возрасте тринадцати лет, он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике.
Казнь отца была тяжелым ударом для Ампера и имела и другие последствия. По приговору суда почти все имущество семьи было конфисковано и ее материальное положение резко ухудшилось. Андре пришлось думать о средствах к существованию. Он решил переселиться в Лион и давать частные уроки математики до ты, пока не удастся устроиться штатным преподавателем в какое-то учебное заведение.
Ампер мечтал перестроить традиционное преподавание курса физики. Вместо этого — нудные преподаватели-чиновники, убогая лаборатория и бедный физический кабинет, повседневные будничные заботы. Однако он много работал, восполняя пробелы в своих знаниях.
Практически до 1820 года основные интересы ученого сосредоточивались на проблемах математики, механики и химии. Вопросами физики в то время он занимался очень мало: известны лишь две работы этого периода, посвященные оптике и молекулярно-кинетической теории газов. Что касается математики, то именно в этой области Ампер достиг результатов, которые и дали основание выдвинуть его кандидатуру в Академию по математическому отделению.
Ампер всегда рассматривал математику как мощный аппарат для решения разнообразных прикладных задач физики и техники. Уже его первая опубликованная математическая работа, посвященная теории вероятностей носила, по сути, прикладной характер и называлась «Рассуждение о математической теории игры» (1802). Вопросы теории вероятностей интересовали его и в дальнейшем.
В исследовании многих проблем физики и механики большое значение имеют так называемые дифференциальные уравнения в частных производных. Решение таких уравнений связано со значительными математическими трудностями, над преодолением которых работали крупнейшие математики. Свой вклад в математическую физику, как называют этот раздел науки, внес и Ампер. Только в одном 1814 году он выполнил несколько работ, получивших высокую оценку известных французских математиков, в частности Далласа, Лагранжа и Пуассона.
Не оставляет он и занятий химией. К его достижениям в области химии следует отнести открытие, независимо от Амедео Авогадро, закона равенства молярных объемов различных газов. Его по праву следует называть законом Авогадро-Ампера. Ученый сделал также первую попытку классификации химических элементов на основе сопоставления их параметров.
С 1820 по 1826 Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над данной книгой проходила в очень тяжелых условиях.
Слава Ампера быстро росла, особенно приятно ученые откликались о его экспериментальные работы по электромагнетизма. Его посещали знаменитые физики, он получил ряд приглашений из других стран выступить с докладами о своих работах. Но его здоровье было подорвано, неустойчивым было и материальное положение. Его угнетала работа в Политехнической школе и инспекторские обязанности. Он по-прежнему мечтал читать курс физики, а не математики, и читать нетрадиционно, включив в курс новый раздел — электродинамику, творцом которой был он сам. Наиболее подходящим местом для этого был один из старейших учебных заведений Франции — Коллеж де Франс. После многих неприятностей и интриг в 1824 году Ампер был избран на должность профессора Коллеж де Франс. Ему предоставили кафедру общей и экспериментальной физики.
Последние годы жизни Ампера были омрачены многими семейными и служебными неприятностями, которые трудно отражались на его и без того слабом здоровье. Внешние признаки успеха не принесли материального благополучия. Он по-прежнему был вынужден уделять много времени чтению лекций в ущерб своим научным занятиям. Но науку он не оставлял.
В 1835 году Ампер опубликовал работу, в которой доказал сходство между световым и тепловым излучениями и показал, что все излучения при поглощении превращаются в тепло. К этому же времени относится увлечение Ампера геологией и биологией. Он принял активное участие в научных спорах между знаменитыми учеными Кювье и Сент-Иллером, предшественниками эволюционной теории Чарльза Дарвина, и опубликовал две биологические работы, в которых изложил свою точку зрения на процесс эволюции. На одном из диспутов противники идеи эволюции живой природы спросили Ампера, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки. На это Ампер ответил: «Я убедился в том, что человек возник по закону, общим для всех животных».
Другим увлечением Ампера была классификация наук. Эта важная в методологическом и общенаучном плане проблема интересовала Ампера давно, еще со времени его работы в Бурк-ан-Брес. Он разработал свою систему классификации наук, которую намеревался изложить в двухтомном сочинении. В 1834 году вышел первый том «Опыты философии наук или аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний». Второй том был издан сыном Ампера уже после его смерти.
Ампер был большим мастером изобретать новые научные термины. Именно он ввел в обиход ученых такие слова, как «электростатика», «электродинамика», «соленоид». Ампер высказал мысль о том, что в будущем, вероятно, возникнет новая наука об общих закономерностях процессов управления. Он предложил именовать ее «кибернетикой». Предсказание Ампера оправдалось.
Ампер умер от воспаления легких 10 июля 1836 в Марселе во время инспекционной поездки. Там же он и был похоронен.
Основные труды Ампера в области электродинамики. Автор первой теории магнетизма. Предложил правило для определения направления действия магнитного поля на магнитную стрелку (правило Ампера).
Ампер провел ряд экспериментов по исследованию взаимодействия между электрическим током и магнитом, для которых сконструировал большое количество приборов. Обнаружил действие магнитного поля Земли на движущиеся проводники с током.
Открыл (1820) механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия (закон Ампера). Строил все магнитные взаимодействия к взаимодействию скрытых в телах круговых молекулярных электрических токов, эквивалентных плоским магнитам (теорема Ампера). Утверждал, что большой магнит состоит из огромного количества элементарных плоских магнитов. Последовательно доказывал чисто токовую природу магнетизма.
Андре Мари Ампер открыл (1822) магнитный эффект катушки с током (соленоида). Высказал идею об эквивалентности соленоида с током и постоянного магнита. Предложил помещать металлический сердечник из мягкого железа для усиления магнитного поля. Высказал идею использования электромагнитных явлений для передачи информации (1820). Ампер изобрел коммутатор, электромагнитный телеграф (1829). Сформулировал понятие «кинематика». Проводил также исследования по философии и ботанике.
Математика, механика и физика обязаны Амперу важными исследованиями, его электродинамическая теория принесла ему неугасимую славу. Его взгляд на единую первичную суть электричества и магнетизма, в чем он по сути сходился с датским физиком Эрстедом, прекрасно изложен им в «Recueil d’observations lectrodynamiques» (Париж, 1822), в «Precis de la theorie des phenomenes electrodynamiques» (Париж, 1824 г.) и в «Theorio des phenomenes electrodynamiques». Разносторонний талант Ампера не остался равнодушным и к химии, которая отводит ему одну из почетных страниц и считает его, совместно с Авогадро, автором важнейшего закона современной химии. В честь этого ученого единица силы электрического тока названа «Ампера», а измерительные приборы — «амперметрами». (Оствальд, «Klassiker der exacten Wissenschaften No.8». «Die Grundlagen der Molekulartbeorie», Abhandlungen v. A. Avogadro und Ampere, 1889). Кроме этого Амперу предстоит еще работа «Essais sur la philosophie des Sciences» (2 т., 1834-43, 2-е издание, 1857).
Это далеко неполный список выдающихся достижений этого гениального ученого.
Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 в Лионе.
Научный вклад
- открыл закон взаимодействия электрических токов;
- предложил первую теорию магнетизма;
- труды по теории вероятностей;
- применения вариационного исчисления в механике.
Министерство образования РФ
Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет (ЛЭТИ)
Факультет электротехники и автоматики
Кафедра электротехнологической и преобразовательной техники
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.
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/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.
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¢/r n ×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¢/r 2 × (cos e - 3/2 cos q cos q¢).
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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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.
Современному комфорту нашей жизни мы обязаны именно электрическому току. Он освещает наши жилища, генерируя излучение в видимом диапазоне световых волн, готовит и подогревает пищу в разнообразных устройствах вроде электроплиток, микроволновых печей, тостеров, избавляя нас от необходимости поиска топлива для костра. Благодаря ему мы быстро перемещаемся в горизонтальной плоскости в электричках, метро и поездах, перемещаемся в вертикальной плоскости на эскалаторах и в кабинах лифтов. Теплу и комфорту в наших жилищах мы обязаны именно электрическому току, который течёт в кондиционерах, вентиляторах и электрообогревателях. Разнообразные электрические машины, приводимые в действие электрическим током, облегчают наш труд, как в быту, так и на производстве. Воистину мы живём в электрическом веке, поскольку именно благодаря электрическому току работают наши компьютеры и смартфоны, Интернет и телевидение, и другие умные электронные устройства. Недаром человечество столько усилий прилагает для выработки электричества на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях - электричество само по себе является самой удобной формой энергии.
Как бы это парадоксально не звучало, но идеи практического использования электрического тока одними из первых взяла на вооружение самая консервативная часть общества - флотские офицеры. Понятно, пробиться наверх в этой закрытой касте было сложным делом, трудно было доказать адмиралам, начинавшим юнгами на парусном флоте, необходимость перехода на цельнометаллические корабли с паровыми двигателями, поэтому младшие офицеры всегда делали ставку на нововведения. Именно успех применения брандеров во время русско-турецкой войны в 1770 году, решившими исход сражения в Чесменской бухте, поставил вопрос о защите портов не только береговыми батареями, но и более современными на тот день средствами защиты - минными заграждениями.
Разработка подводных мин различных систем велась с начала 19-го века, наиболее удачными конструкциями стали автономные мины, приводимые в действие электричеством. В 70-х гг. 19-го века немецким физиком Генрихом Герцем было изобретено устройство для электрической детонации якорных мин с глубиной постановки до 40 м. Её модификации знакомы нам по историческим фильмам на военно-морскую тематику - это печально известная «рогатая» мина, в которой свинцовый «рог», содержащий ампулу, наполненную электролитом, сминался при контакте с корпусом судна, в результате чего начинала работать простейшая батарея, энергии которой было достаточно для детонации мины.
Моряки первыми оценили потенциал тогда ещё несовершенных мощных источников света - модификаций свечей Яблочкова, у которых источником света служила электрическая дуга и светящийся раскалённый положительный угольный электрод - для использования в целях сигнализации и освещения поля боя. Использование прожекторов давало подавляющее преимущество стороне, применивших их в ночных сражениях или просто использующих их как средство сигнализации для передачи информации и координации действий морских соединений. А оснащённые мощными прожекторами маяки упрощали навигацию в прибрежных опасных водах.
Не удивительно, что именно флот принял на ура способы беспроводной передачи информации - моряков не смущали большие размеры первых радиостанций, поскольку помещения кораблей позволяли разместить столь совершенные, хотя на тот момент и весьма громоздкие, устройства связи.
Электрические машины помогали упростить заряжание корабельных пушек, а электрические силовые агрегаты поворота орудийных башен повышали маневренность нанесения пушечных ударов. Команды, передаваемые по корабельному телеграфу, повышали оперативность взаимодействия всей команды, что давало немалое преимущество в боевых столкновениях.
Самым ужасающим применением электрического тока в истории флота было использование рейдерских дизель-электрических подлодок класса U Третьим Рейхом. Субмарины «Волчьей стаи» Гитлера потопили много судов транспортного флота союзников - достаточно вспомнить о печальной судьбе конвоя PQ-17.
Британским морякам удалось добыть несколько экземпляров шифровальных машин «Энигма» (Загадка), а британская разведка успешно расшифровала её код. Один из выдающихся ученых, который над этим работал - Алан Тьюринг, известный своим вкладом в основы информатики. Получив доступ к радиодепешам адмирала Дёница, союзный флот и береговая авиация смогли загнать «Волчью стаю» обратно к берегам Норвегии, Германии и Дании, поэтому операции с применением подлодок с 1943 года были ограничены краткосрочными рейдами.
Гитлер планировал оснастить свои подлодки ракетами Фау-2 для атак на восточное побережье США. К счастью, стремительные атаки союзников на Западном и Восточном фронтах не позволили этим планам осуществиться.
Современный флот немыслим без авианосцев и атомных подводных лодок, энергонезависимость которых обеспечивается атомными реакторами, удачно сочетающими в себе технологии 19-го века пара, технологии 20-го века электричества, и атомные технологии 21-го века. Реакторы атомоходов генерируют электрический ток в количестве, достаточном для обеспечения жизнедеятельности целого города.
Помимо этого, моряки вновь обратили своё внимание на электричество и апробируют применение рельсотронов - электрических пушек для стрельбы кинетическими снарядами, имеющими огромную разрушительную силу.
Историческая справка
С появлением надёжных электрохимических источников постоянного тока, разработанных итальянским физиком Алессандро Вольта, целая плеяда замечательных учёных из разных стран занялись исследованием явлений, связанных с электрическим током, и разработкой его практического применения во многих областях науки и техники. Достаточно вспомнить немецкого учёного Георга Ома, сформулировавшего закон протекания тока для элементарной электрической цепи; немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, разработавшего методы расчёта сложных электрических цепей; французского физика Андре Мари Ампера, открывшего закон взаимодействия для постоянных электрических токов. Работы английского физика Джеймса Прескотта Джоуля и российского учёного Эмиля Христиановича Ленца, привели, независимо друг от друга, к открытию закона количественной оценки теплового действия электрического тока.
Дальнейшим развитием исследования свойств электрического тока были работы британского физика Джеймса Кларка Максвелла, заложившего основы современной электродинамики, которые ныне известны как уравнения Максвелла. Также Максвелл разработал электромагнитную теорию света, предсказав многие явления (электромагнитные волны, давление электромагнитного излучения). Позднее немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн; его работы по исследованию отражения, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн легли в основу создания радио.
Работы французских физиков Жана-Батиста Био и Феликса Савара, экспериментально открывшими проявления магнетизма при протекании постоянного тока, и замечательного французского математика Пьера-Симона Лапласа, обобщившего их результаты в виде математической закономерности, впервые связали две стороны одного явления, положив начало электромагнетизму. Эстафету от этих учёных принял гениальный британский физик Майкл Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции и положивший начало современной электротехнике.
Огромный вклад в объяснение природы электрического тока внёс нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, создавший классическую электронную теорию и получивший выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля.
Электрический ток. Определения
Электрический ток - направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В силу этого ток определяется как количество зарядов, прошедшее через сечение проводника в единицу времени:
I = q / t где q - заряд в кулонах, t - время в секундах, I - ток в амперах
Другое определение электрического тока связано со свойствами проводников и описывается законом Ома:
I = U/R где U - напряжение в вольтах, R - сопротивление в омах, I - ток в амперах
Электрический ток измеряется в амперах (А) и его десятичных кратных и дольных единицах - наноамперах (миллиардная доля ампера, нА), микроамперах (миллионная доля ампера, мкА), миллиамперах (тысячная доля ампера, мА), килоамперах (тысячах ампер, кА) и мегаамперах (миллионах ампер, МА).
Размерность тока в системе СИ определяется как
[А] = [Кл] / [сек]
Особенности протекания электрического тока в различных средах. Физика явлений
Электрический ток в твердых телах: металлах, полупроводниках и диэлектриках
При рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока - элементарных зарядов - характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Уникальным примером таких состояний, наблюдаемых в обычных условиях, могут служить состояния дигидрогена монооксида, или, иначе, гидроксида водорода, а попросту - обыкновенной воды. Мы наблюдаем её твердую фазу, доставая кусочки льда из морозильника для охлаждения напитков, основой для большей части которых является вода в жидком состоянии. А при заварке чая или растворимого кофе мы заливаем его кипятком, причём готовность последнего контролируется появлением тумана, состоящего из капелек воды, которая конденсируется в холодном воздухе из газообразного водяного пара, выходящего из носика чайника.
Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, из которой состоят верхние слои звёзд, ионосфера Земли, пламя, электрическая дуга и вещество в люминесцентных лампах. Высокотемпературная плазма с трудом воспроизводится в условиях земных лабораторий, поскольку требует очень высоких температур - более 1 000 000 K.
С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы такого вещества образуют своеобразные объёмные или плоские решётки; к кристаллическим материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Та же вода в виде снежинок (кристаллов разнообразных не повторяющих форм) прекрасно иллюстрирует представление о кристаллических веществах. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют; такое строение характерно для диэлектриков.
В обычных условиях ток в твёрдых материалах протекает за счёт перемещения свободных электронов, образующихся из валентных электронов атомов. С точки зрения поведения материалов при пропускании через них электрического тока, последние подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы. Свойства различных материалов, согласно зонной теории проводимости, определяются шириной запрещённой зоны, в которой не могут находиться электроны. Изоляторы имеют самую широкую запрещённую зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля у изоляторов и полупроводников электронов в зоне проводимости нет, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов - проводников тока, что сохраняется и при более высоких температурах материалов, вплоть до их полного расплавления. Полупроводники имеют небольшие запрещённые зоны, и их способность проводить электрический ток сильно зависит от температуры, радиации и других факторов, а также от наличия примесей.
Отдельным случаем считается протекание электрического тока через так называемые сверхпроводники - материалы, имеющие нулевое сопротивление протеканию тока. Электроны проводимости таких материалов образуют ансамбли частиц, связанные между собой за счёт квантовых эффектов.
Изоляторы, как следует из их названия, крайне плохо проводят электрический ток. Это свойство изоляторов используется для ограничения протекания тока между проводящими поверхностями различных материалов.
Помимо существования токов в проводниках при неизменном магнитном поле, при наличии переменного тока и связанного с ним переменного магнитного поля возникают эффекты, связанные с его изменением или так называемые «вихревые» токи, иначе называемые токами Фуко. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи, которые не текут по определённым путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют вихревые контуры.
Вихревые токи проявляют скин-эффект, сводящийся к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника, что приводит к потерям энергии. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные, электрически изолированные, пластины.
Электрический ток в жидкостях (электролитах)
Все жидкости, в той или иной мере, способны проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Такие жидкости называются электролитами. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы - соответственно катионы и анионы, которые существуют в растворе веществ вследствие электролитической диссоциации. Ток в электролитах за счёт перемещения ионов, в отличие от тока за счёт перемещения электронов, характерного для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений или осаждением этих веществ или новых соединений на электродах.
Это явление заложило основу современной электрохимии, дав количественные определения грамм-эквивалентам различных химических веществ, тем самым превратив неорганическую химию в точную науку. Дальнейшее развитие химии электролитов позволило создать однократно заряжаемые и перезаряжаемые источники химического тока (сухие батареи, аккумуляторы и топливные элементы), которые, в свою очередь, дали огромный толчок в развитии техники. Достаточно заглянуть под капот своего автомобиля, чтобы увидеть результаты усилий поколений учёных и инженеров-химиков в виде автомобильного аккумулятора.
Большое количество технологических процессов, основанных на протекании тока в электролитах, позволяет не только придать эффектный вид конечным изделиям (хромирование и никелирование), но и защитить их от коррозии. Процессы электрохимического осаждения и электрохимического травления составляют основу производства современной электроники. Ныне это самые востребованные технологические процессы, число изготавливаемых компонентов по этим технологиям исчисляется десятками миллиардов единиц в год.
Электрический ток в газах
Электрический ток в газах обусловлен наличием в них свободных электронов и ионов. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого протекание тока в нормальных условиях через них относительно затруднено. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается неплохим изолятором. Это характерно и для других газов и их смесей при обычных физических условиях.
Протекание тока в газах очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещёнными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство лучше проводить электрический ток.
Эндотермический процесс образования ионов в результате поглощения энергии электрически нейтральными атомами или молекулами газа называется ионизацией. Получив достаточную энергию, электрон или несколько электронов внешней электронной оболочки, преодолевая потенциальный барьер, покидают атом или молекулу, становясь свободными электронами. Атом или молекула газа становятся при этом положительно заряженными ионами. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, образуя отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы могут обратно захватывать свободные электроны при столкновении, становясь при этом опять электрически нейтральными. Этот процесс называется рекомбинацией.
Прохождение тока через газовую среду сопровождается изменением состояния газа, что предопределяет сложный характер зависимости тока от приложенного напряжения и, в общем, подчиняется закону Ома только при малых токах.
Различают несамостоятельный и самостоятельные разряды в газах. При несамостоятельном разряде ток в газе существует только при наличии внешних ионизирующих факторов, при их отсутствии сколь-нибудь значительного тока в газе нет. При самостоятельном разряде ток поддерживается за счёт ударной ионизации нейтральных атомов и молекул при столкновении с ускоренными электрическим полем свободными электронами и ионами даже после снятия внешних ионизирующих воздействий.
Несамостоятельный разряд при малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе называется тихим разрядом. При повышении напряжения сила тока сначала увеличивается пропорционально напряжению (участок ОА на вольт-амперной характеристике тихого разряда), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ). Когда все частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок графика ВС). При дальнейшем повышении напряжения ток снова возрастает, и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. Разновидность несамостоятельного разряда - тлеющий разряд, который создаёт свет в газоразрядных лампах различного цвета и назначения.
Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный разряд характеризуется резким увеличением тока (точка Е на кривой вольт-амперной характеристики). Он называется электрическим пробоем газа.
Все вышеперечисленные типы разрядов относятся к установившимся типам разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени. Помимо установившихся разрядов, существуют разряды неустановившиеся, возникающие обычно в сильных неоднородных электрических полях, например у заостренных и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Различают два типа неустановившихся разрядов: коронный и искровой разряды.
При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, просто он представляет собой повторяющийся процесс поджига несамостоятельного разряда в ограниченном пространстве возле проводников. Примером коронного разряда может служить свечение атмосферного воздуха вблизи высоко поднятых антенн, громоотводов или высоковольтных линий электропередач. Возникновение коронного разряда на линиях электропередач приводит к потерям электроэнергии. В прежние времена это свечение на верхушках мачт было знакомо морякам парусного флота как огоньки святого Эльма. Коронный разряд применяется в лазерных принтерах и электрографических копировальных устройствах, где он формируется коротроном - металлической струной, на которую подано высокое напряжение. Это необходимо для ионизации газа с целью нанесения заряда на фоточувствительный барабан. В данном случае коронный разряд приносит пользу.
Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою и имеет вид прерывистых ярких разветвляющихся, заполненных ионизированным газом нитей-каналов, возникающих и исчезающих, сопровождаемые выделением большого количества теплоты и ярким свечением. Примером естественного искрового разряда может служить молния, где ток может достигать значений в десятки килоампер. Образованию собственно молнии предшествует создание канала проводимости, так называемого нисходящего «тёмного» лидера, образующего совместно с индуцированным восходящим лидером проводящий канал. Молния представляет собой обычно многократный искровой разряд в образованном канале проводимости. Мощный искровой разряд нашёл своё техническое применение также и в компактных фотовспышках, в которых разряд происходит между электродами трубки из кварцевого стекла, наполненной смесью ионизированных благородных газов.
Длительный поддерживаемый пробой газа носит название дугового разряда и применяется в сварочной технике, являющейся краеугольным камнем технологий создания стальных конструкций нашего времени, от небоскрёбов до авианосцев и автомобилей. Он применяется как для сварки, так и для резки металлов; различие в процессах обусловлено силой протекающего тока. При относительно меньших значениях тока происходит сварка металлов, при более высоких значениях тока дугового разряда - идёт резка металла за счёт удаления расплавленного металла из-под электрической дуги различными методами.
Другим применением дугового разряда в газах служат газоразрядные лампы освещения, которые разгоняют тьму на наших улицах, площадях и стадионах (натриевые лампы) или автомобильные галогенные лампы, которые сейчас заменили обычные лампы накаливания в автомобильных фарах.
Электрический ток в вакууме
Вакуум является идеальным диэлектриком, поэтому электрический ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей в виде электронов или ионов, которые генерируются за счёт термо- или фотоэмиссии, или иными методами.
Основным методом получения тока в вакууме за счёт электронов является метод термоэлектронной эмиссии электронов металлами. Вокруг разогретого электрода, называемого катодом, образуется облако из свободных электронов, которые и обеспечивают протекание электрического тока при наличии второго электрода, называемого анодом, при условии наличия между ними соответствующего напряжения требуемой полярности. Такие электровакуумные приборы называются диодами и обладают свойством односторонней проводимости тока, запираясь при обратном напряжении. Это свойство применяется для выпрямления переменного тока, преобразуемого системой из диодов в импульсный ток постоянного направления.
Добавление дополнительного электрода, называемого сеткой, расположенной вблизи катода, позволяет получить усилительный элемент триод, в котором малые изменения напряжения на сетке относительно катода позволяют получить значительные изменения протекающего тока, и, соответственно, значительные изменения напряжения на нагрузке, включённой последовательно с лампой относительно источника питания, что и используется для усиления различных сигналов.
Применение электровакуумных приборов в виде триодов и приборов с большим числом сеток различного назначения (тетродов, пентодов и даже гептодов), произвело революцию в деле генерации и усиления радиочастотных сигналов, и привело к созданию современных систем радио и телевещания.
Исторически первым было развитие именно радиовещания, так как методы преобразования относительно низкочастотных сигналов и их передача, равно как и схемотехника приёмных устройств с усилением и преобразованием радиочастоты и превращением её в акустический сигнал были относительно просты.
При создании телевидения для преобразования оптических сигналов применялись электровакуумные приборы - иконоскопы, где электроны эмитировались за счёт фотоэмиссии от падающего света. Дальнейшее усиление сигнала выполнялось усилителями на электронных лампах. Для обратного преобразования телевизионного сигнала служили кинескопы, дающие изображение за счёт флюоресценции материала экрана под воздействием электронов, разгоняемых до высоких энергий под воздействием ускоряющего напряжения. Синхронизированная система считывания сигналов иконоскопа и система развёртки изображения кинескопа создавали телевизионное изображение. Первые кинескопы были монохромными.
В дальнейшем были созданы системы цветного телевидения, в котором считывающие изображение иконоскопы реагировали только на свой цвет (красный, синий или зелёный). Излучающие элементы кинескопов (цветной люминофор), за счёт протекания тока, вырабатываемого так называемыми «электронными пушками», реагируя на попадание в них ускоренных электронов, излучали свет в определённом диапазоне соответствующей интенсивности. Чтобы лучи от пушек каждого цвета попадали на свой люминофор, использовали специальные экранирующие маски.
Современная аппаратура телевидения и радиовещания выполняется на более прогрессивных элементах с меньшим энергопотреблением - полупроводниках.
Одним из широко распространённых методов получения изображения внутренних органов является метод рентгеноскопии, при котором эмитируемые катодом электроны получают столь значительное ускорение, что при попадании на анод генерируют рентгеновское излучение, способное проникать через мягкие ткани тела человека. Рентгенограммы дают в руки медиков уникальную информацию о повреждениях костей, состоянии зубов и некоторых внутренних органов, выявляя даже такое грозное заболевание, как рак лёгких.
Вообще, электрические токи, сформированные в результате движения электронов в вакууме, имеют широчайшую область применения, к которой относятся все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, электронные микроскопы, вакуумные генераторы сверхвысокой частоты, в виде ламп бегущей волны, клистронов и магнетронов. Именно магнетроны, кстати, подогревают или готовят нам пищу в микроволновых печах.
Большое значение в последнее время имеет технология нанесения плёночных покрытий в вакууме, которые играют роль как защитно-декоративного, так и функционального покрытия. В качестве таких покрытий применяются покрытия металлами и их сплавами, и их соединениями с кислородом, азотом и углеродом. Такие покрытия изменяют электрические, оптические, механические, магнитные, коррозионные и каталитические свойства покрываемых поверхностей, либо сочетают сразу несколько свойств.
Сложный химический состав покрытий можно получать только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой являются катодное распыление или его промышленная модификация - магнетронное распыление. В конечном итоге именно электрический ток за счёт ионов производит осаждение компонентов на осаждаемую поверхность, придавая ей новые свойства.
Именно таким способом можно получать так называемые ионные реактивные покрытия (плёнки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающих комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (с высокой твёрдостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), которые невозможно получить иными методами.
Электрический ток в биологии и медицине
Знание поведения токов в биологических объектах даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и лечения.
С точки зрения электрохимии все биологические объекты содержат электролиты, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.
При рассмотрении протекания тока через биологические объекты необходимо учитывать их клеточное строение. Существенным элементом клетки является клеточная мембрана - внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт ее избирательной проницаемости для различных веществ. С точки зрения физики, клеточную мембрану можно представить себе в виде параллельного соединения конденсатора и нескольких цепочек из соединенных последовательно источника тока и резистора. Это предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.
Биологическая ткань состоит из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, заставляя сокращаться и расслабляться мышцы и кровеносные сосуды животного. Следует отметить, что протекание тока в биологической ткани носит нелинейный характер.
Классическим примером воздействия электрического тока на биологический объект могут служить опыты итальянского врача, анатома, физиолога и физика Луиджи Гальвани, ставшего одним из основателей электрофизиологии. В его опытах пропускание электрического тока через нервы лапки лягушки приводило к сокращению мышц и подергиванию ножки. В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин и доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов.
Дальнейшее развитие электрофизиологии тесно связано с нейрофизиологией. В 1875 году независимо друг от друга английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог В. Я. Данилевский показали, что мозг является генератором электрической активности, то есть были открыты биотоки мозга.
Биологические объекты в ходе своей жизнедеятельности создают не только микротоки, но и большие напряжения и токи. Значительно раньше Гальвани английский анатом Джон Уолш доказал электрическую природу удара ската, а шотландский хирург и анатом Джон Хантер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Хантера были опубликованы в 1773 году.
В современной биологии и медицине применяются различные методы исследования живых организмов, как инвазивные, так и неинвазивные.
Классическим примером инвазивных методов является лабораторная крыса с пучком вживлённых в мозг электродов, бегающая по лабиринтам или решающая другие задачки, поставленные перед ней учёными.
К неинвазивным методам относятся такие, всем знакомые исследования, как снятие энцефалограммы или электрокардиограммы. При этом электроды, считывающие биотоки сердца или мозга, снимают токи прямо с кожи обследуемого. Для улучшения контакта с электродами кожа смачивается физиологическим раствором, который является неплохим проводящим электролитом.
Помимо применения электрического тока при научных исследованиях и техническом контроле состояния различных химических процессов и реакций, одним из самых драматических моментов его применения, известного широкой публике, является запуск «остановившегося» сердца какого-либо героя современного фильма.
Действительно, протекание кратковременного импульса значительного тока лишь в единичных случаях способно запустить остановившееся сердце. Чаще всего происходит восстановление его нормального ритма из состояния хаотичных судорожных сокращений, называемого фибрилляцией сердца. Приборы, применяющиеся для восстановления нормального ритма сокращений сердца, называются дефибрилляторами. Современный автоматический дефибриллятор сам снимает кардиограмму, определяет фибрилляцию желудочков сердца и самостоятельно решает – бить током или не бить – может быть достаточно пропустить через сердце небольшой запускающий импульс. Существует тенденция установления автоматических дефибрилляторов в общественных местах, что может существенно сократить количество смертей из-за неожиданной остановки сердца.
У практикующих врачей скорой помощи не возникает никакого сомнения по поводу применения метода дефибрилляции – обученные быстро определять физическое состояние пациента по кардиограмме, они принимают решение значительно быстрее автоматического дефибриллятора, предназначенного для широкой публики.
Тут же уместно будет упомянуть об искусственных водителях сердечного ритма, иначе называемых кардиостимуляторами. Эти приборы вживляются под кожу или под грудную мышцу человека, и такой аппарат через электроды подаёт на миокард (сердечную мышцу) импульсы тока напряжением около 3 В, стимулируя нормальную работу сердца. Современные электрокардиостимуляторы способны обеспечить бесперебойную работу в течение 6–14 лет.
Характеристики электрического тока, его генерация и применение
Электрический ток характеризуется величиной и формой. По его поведению с течением времени различают постоянный ток (не изменяющийся с течением времени), апериодический ток (произвольно изменяющийся с течением времени) и переменный ток (изменяющийся с течением времени по определённому, как правило, периодическому закону). Иногда для решения различных задач требуется одновременное наличие постоянного и переменного тока. В таком случае говорят о переменном токе с постоянной составляющей.
Исторически первым появился трибоэлектрический генератор тока, который вырабатывал ток за счёт трения шерсти о кусок янтаря. Более совершенные генераторы тока такого типа сейчас называются генераторами Ван де Граафа, по имени изобретателя первого технического решения таких машин.
Как указывалось выше, итальянским физиком Алессандро Вольта был изобретён электрохимический генератор постоянного тока, ставший предшественником сухих батарей, аккумуляторов и топливных элементов, которые мы пользуемся и поныне как удобными источниками тока для разнообразных устройств - от наручных часов и смартфонов до просто автомобильных аккумуляторов и тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla.
Помимо этих генераторов постоянного тока, существуют генераторы тока на прямом ядерном распаде изотопов и магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) тока, которые пока имеют ограниченное применение в силу своей маломощности, слабой технологической основы для широкого применения и по другим причинам. Тем не менее, радиоизотопные источники энергии широко применяются там, где нужна полная автономность: в космосе, на глубоководных аппаратах и гидроакустических станциях, на маяках, бакенах, а также на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике.
В электротехнике генераторы тока подразделяются на генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока.
Все эти генераторы основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей построил первый маломощный униполярный генератор, дающий постоянный ток. Первый генератор переменного тока был предложен анонимным автором под латинскими инициалами Р.М. в письме к Фарадею в 1832 году. После опубликования письма, Фарадей получил благодарственное письмо от того же анонима со схемой усовершенствованного генератора в 1833 году, в котором использовалось дополнительное стальное кольцо (ярмо) для замыкания магнитных потоков сердечников обмоток.
Однако в то время для переменного тока еще не нашлось применения, так как для всех практических применений электричества того времени (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.
Одним из первых генераторов, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор российского академика Б. С. Якоби. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Улучшенные модификации генератора Якоби до сих пор используются для удалённого приведения в действие минных зарядов, что нашло широкое отображение в военно-исторических фильмах, в которых диверсанты или партизаны подрывают мосты, поезда или другие объекты.
В дальнейшем борьба между генерацией постоянного или переменного тока с переменным успехом велась среди изобретателей и инженеров–практиков, приведшая к апогею противостояния титанов современной электроэнергетики: Томаса Эдисона с компанией Дженерал Электрик с одной стороны, и Николой Тесла с компанией Вестингауз, с другой стороны. Победил мощный капитал, и разработки Тесла в области генерации, передачи, и трансформации переменного электрического тока стали общенациональным достоянием американского общества, что, в немалой степени, позднее способствовало технологическому доминированию США.
Помимо собственно генерации электричества для разнообразных нужд, основанной на преобразовании механического движения в электричество, за счёт обратимости электрических машин появилась возможность обратного преобразования электрического тока в механическое движение, реализуемая электродвигателями постоянного и переменного тока. Пожалуй, это самые распространённые машины современности, включающие в себя стартеры автомобилей и мотоциклов, приводы промышленных станков и разнообразных бытовых устройств. Используя различные модификации подобных устройств, мы стали мастерами на все руки, мы умеем строгать, пилить, сверлить и фрезеровать. А в наших компьютерах, благодаря миниатюрным прецизионным двигателям постоянного тока, крутятся приводы жёстких и оптических дисков.
Кроме привычных электромеханических двигателей, за счёт протекания электрического тока работают ионные двигатели, использующие принцип реактивного движения при выбросе ускоренных ионов вещества, Пока, в основном, они применяются в космическом пространстве на малых спутниках для выведения их на нужные орбиты. А фотонные двигатели 22-го века, которые существуют пока только в проекте и которые понесут наши будущие межзвёздные корабли с субсветовой скоростью, скорее всего, тоже будут работать на электрическом токе.
Для создания электронных элементов и при выращивании кристаллов различного назначения по технологическим причинам требуются сверхстабильные генераторы постоянного тока. Такие прецизионные генераторы постоянного тока на электронных компонентах называются стабилизаторами тока.
Измерение электрического тока
Необходимо отметить, что приборы для измерения тока (микроамперметры, миллиамперметры, амперметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу конструкций и принципам действия - это могут быть приборы постоянного тока, переменного тока низкой частоты и переменного тока высокой частоты.
По принципу действия различают электромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, магнитодинамические, электродинамические, индукционные, термоэлектрические и электронные приборы. Большинство стрелочных приборов для измерения токов состоит из комбинации подвижной/неподвижной рамки с намотанной катушкой и неподвижного/подвижного магнитов. Вследствие такой конструкции типичный амперметр имеет эквивалентную схему из последовательно соединённых индуктивности и сопротивления, шунтированных ёмкостью. Из-за этого частотная характеристика стрелочных амперметров имеет завал по высоким частотам.
Основой для них является миниатюрный гальванометр, а различные пределы измерения достигаются применением дополнительных шунтов - резисторов с малым сопротивлением, которое на порядки ниже сопротивления измерительного гальванометра. Таким образом, на основе одного прибора могут быть созданы приборы для измерения токов различных диапазонов – микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и даже килоамперметры.
Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого тока - он может быть функцией времени и иметь различную форму - быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ радиотехнических цепей и устройств. Различают следующие значения токов:
- мгновенное,
- амплитудное,
- среднее,
- среднеквадратичное (действующее).
Мгновенное значение тока I i - это значение тока в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.
Амплитудное (пиковое) значение тока I m - это наибольшее мгновенное значение тока за период.
Среднее квадратичное (действующее) значение тока I определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений тока.
Все стрелочные амперметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях тока.
Среднее значение (постоянная составляющая) тока - это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.
Разность между максимальным и минимальным значениями тока сигнала называют размахом сигнала.
Сейчас, в основном, для измерения тока используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы - на их экранах отображается не только форма напряжения/тока, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.
Измерение тока с помощью осциллографа
Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению действующего и пикового значения тока синусоидального и треугольного сигналов с использованием генератора сигналов, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).
Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:
Генератор сигналов (FG) нагружен на последовательное соединение мультиметра (MM), сопротивление шунта R s =100 Ом и сопротивление нагрузки R в 1 кОм. Осциллограф OS подключен параллельно сопротивлению шунта R s . Значение сопротивления шунта выбирается из условия R s < Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 Герц и амплитудой 9 Вольт. Нажмем очень удобную кнопку Auto Set и будем наблюдать на экране сигнал, показанный на рис. 1. Размах сигнала - около пяти больших делений при цене деления 200 мВ. Мультиметр при этом показывает значение тока в 3,1 мА. Осциллограф определяет среднеквадратичное значение напряжения сигнала на измерительном резисторе U=312 мВ. Действующее значение тока через резистор R s определяется по закону Ома: I RMS = U RMS /R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА, что соответствует показаниям мультиметра (3,10 мА). Отметим, что размах тока через нашу цепь из включенных последовательно двух резисторов и мультиметра равен I P-P = U P-P /R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА Известно, что пиковое и действующее значения тока и напряжения для синусоидального сигнала отличаются в √2 раз. Если умножить I RMS = 3,1 мА на √2, получим 4,38. Удвоим это значение и мы получим 8,8 мА, что почти соответствует току, измеренному с помощью осциллографа (8,9 мА). Уменьшим сигнал от генератора вдвое. Размах изображения на осциллографе уменьшится ровно приблизительно вдвое (464 мВ) и мультиметр покажет приблизительно уменьшенное вдвое значение тока 1,55 мА. Определим показания действующего значения тока на осциллографе: I RMS = U RMS /R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА, что приблизительно соответствует показаниям мультиметра (1,55 мА). Увеличим частоту генератора до 10 кГц. При этом изображение на осциллографе изменится, но размах сигнала останется прежним, а показания мультиметра уменьшатся - сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра. Вернёмся к исходной частоте 60 Герц и напряжению 9 В генератора сигналов, но изменим форму
его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением тока, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее значение тока сигнала. Осциллограф также показывает уменьшение среднеквадратичного значения напряжения, измеренного на резисторе R s =100 Ом. Самодельный пьедестал-стойка с полнофункциональным телесуфлёром и мониторами для домашней видеостудии Формулировка «единица силы тока» была впервые употреблена французским математиком и физиком А. Ампером при повторении опытов электромагнитного взаимодействия. Впоследствии начиная с 1881 года, когда состоялся Первый Международный конгресс электриков, ампером стали называть единицу силы тока. Формальное определение данной единицы – ампер – было введено в 1948 году по предложению МКМВ (Международного комитета мер и весов). Оно гласит, что ампер – это сила постоянного тока
, который протекает по беспредельно тонким длинным параллельным проводникам, отстоящим друг от друга на 1 метр и находящимся в вакууме, вызывая взаимодействие между ними силой 2 × 10−7 ньютона на каждый участок длиной 1 метр. На практике воспроизвести условия определения невозможно, проводники имеют как конечную длину, так и конкретное сечение. Обычно сила взаимодействия определяется между двумя катушками с большим количеством витков провода. Этот принцип до 1992 года лежал в основе определения эталона ампера на токовых весах. При этом измерялась сила или момент сил, действующих на помещенную в катушку с током. Сила электрического тока измеряется . С 1992 года эталон ампера в РФ определяется косвенным путем с использованием закона Ома, благодаря чему погрешность значения уменьшилась на два порядка. Силу электрического тока можно представить как скорость изменения заряда, т. е. 1 ампер – это такая сила тока, когда за каждую секунду через поперечник проводника проходит количество электричества, равное 1 кулону (6,241·10¹⁸ электронов). А. М. Ампер не только дал свое имя единице силы тока, но и установил закон, определяющий силу воздействия однородного магнитного поля на проводник, размещенный в нем. Ее величина прямо пропорционально зависит от длины проводника, силы протекающего по нему тока, вектора магнитной индукции и синуса угла между вектором и направлением тока. Физик первым установил особенности взаимодействия двух проводников с током. Направленное перемещение электронов – протекание тока в них – обуславливает притяжение проводников (ток течет в едином для обоих направлении) или отталкивание этих проводов при противоположном направлении протекания тока. — в канале молнии она равна примерно 500 килоамперам (1 кА = 10³ А); — во включенной стоваттной протекает ток силой ≈ 0,5 А; — примерная сила тока при лечении электрофорезом равняется 0,8 мА (1мА = 0,001A); — в ТЭНе электрообогревателя проходит ток до 10 А. В замкнутой цепи в любом ее месте через поперечник проводника ежесекундно проходит одно и то же количество электричества, т. е. сила тока на каждом участке цепи одинакова. Ее величина не зависит от толщины электрического проводника, т. к. заряды не имеют свойства накапливаться в одном месте. Условиями будущей ревизии единиц системы СИ, принятыми XXIV ГКМВ в октябре 2011 года, предусмотрено переопределение некоторых величин, в том числе и ампера. На величину единицы будет влиять вновь определенное значения электрического заряда (e = 1,602 17X·10−19 Кл). Ампер в будущем также будет определять силу тока, но его величина будет устанавливаться в зависимости от данного числа.Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3
Опыт 4
Техника безопасности при измерении тока и напряжения
Какие характеристики определяют силу тока в 1 ампер
– определение
Представление о силе тока
дают следующие характеристики процессов:Перспективы единицы силы тока в будущем