Электродинамика Ампера

Электродинамика Ампера

Электродинамика Ампера

В 1820 году Ампер провел собственные теоретические и экспериментальные исследования в области электродинамики. В научном докладе сообществу ученых в Париже он заявил, что открыл некие пондеромоторные взаимодействия токов. Это взаимодействие он назвал электродинамическими.

Ампер использовал словосочетания при описании увиденного физического явления притяжениями и отталкиваниями электрических токов. Через некоторое время появилось новое понятие, которое он самостоятельно ввел. Так появился новый термин в физике под названием электродинамика.

Также Андре Амперу принадлежит введение целого ряда новых физических терминов:

  • электродинамика;
  • электростатика;
  • электрический ток;
  • гальванометр;
  • напряжение;
  • кибернетика.

Рисунок 1. Опыты Ампера. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Открытие явлений электродинамики

При демонстрации новых открытых физических явлений стали выясняться первые проблемы с доказательственной базой и немногие ученые того времени сразу восприняли электродинамические явления как что-то новое.

Ампер вместе со своими коллегами и оппонентами по научному сообществу попытался найти доходчивое объяснение тому, что он увидел ранее.

Другие ученые сообщили, что при прохождении электрического тока через проводник последний становился магнитом, а каждое поперечное сечение проводника, где проходил ток, становился двойным магнитом. У него в наличии были противоположные полюса.

Однако сам Ампер дал иное объяснение увиденному. Он предположил, что магнитом становился не сам проводник, по которому проходит электроток, а все происходит наоборот. В его понимании, магнит сам представляет собой множество линий тока.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Спустя непродолжительное время Ампер сформулировал первые правила электродинамики. Он говорил, что в магнитах существует совокупность круговых токов. Они проистекают по перпендикулярным своей оси плоскостям и текут в одном направлении.

В этом случае, ток, который проходит параллельно оси магнита, будет направлен под углом к круговым токам. Такая расстановка токов способна произвести тот эффект, что наблюдал ампер.

Другими словами, происходит электродинамическое взаимодействие.

Гипотетические заключения Ампера опережали свое время, поэтому были встречены довольно прохладно и недоверием. Гипотезы других ученых казались более правдивыми. Однако многое смогли поменяться в следующем году.

Тогда ученый Фарадей смог установить вращение токов в магнитном поле. Стало понятно, что подобный эффект был бы невозможен при распределении магнетиков в проводнике, где проходит ток.

Его способны вызвать только отталкивающие силы и силы притяжения.

Опыты Ампера

Предыдущие знания были направлены на поиск практического подтверждения собственной теории. Он представил магнит системой круговых параллельных токов, которые направлены в одну сторону. В этом случае, спираль из металлической основы, где проходит непосредственно ток, может вести себя в роли магнита.

Проволока должна принимать такое положение в пространстве, где главной силой является магнитное поле планеты. Также в таком взаимодействии обязательно принимает участие два полюса.

Последовавшие опыты подтвердили действие спирали во время взаимодействия с магнитом, однако какова связь и результаты опыта, где поведение спирали опиралось на магнитное поле Земли, до конца понятны не были.

При опытах, где фигурировал всего один виток проводника с проходящим током, создалось впечатление очередного тупика в исследованиях, поскольку это породило новое непонятное явление. Это виток вел себя словно магнитная пластинка. Спираль в этом случае не могла продемонстрировать предполагаемых свойства и прекратила вести себя в роли магнита.

Оказалось, что в электродинамических взаимодействия одиночный виток в виде спирального проводника ощущает себя в качестве прямолинейного проводника. Элемент тока можно было разложить на два основных составляющих:

  • направленная параллельно оси;
  • направленная перпендикулярно оси.

При проведении суммирования результатов взаимодействия различных элементов спирали, получится прямолинейный ток, который идет к оси. В этом случае нужно компенсировать действие прямолинейного тока, чтобы спираль вновь приобрела свойства магнит при пропускании через нее электрического тока.

Ампер осуществить задуманную задачу и выгнул вдоль оси концы проводника. Для того, чтобы устранить различие между показаниями спирали при прохождении тока на полюсах, ученый не стал изменять свою первоначальную теорию, где токи проходят прямо перпендикулярно оси магнита.

Он дополнил ее новым предположением, что токи располагаются в разных углах в плоскости по направлению к оси.

Разработка формул электродинамики

Сразу после проведения первых положительных опытов, описывающих явления электродинамики, пришло время оформить результаты в конкретные формулы. Ампер намеревался сначала создать формулу для величины силы, которая возникает между элементами тока. Затем он предполагал, что удастся вывести формулу силы, что действует между двумя частями проводников.

Ампер смог провести ряд мероприятий по следующему методу:

  • провел многочисленные измерения при взаимодействии токов разной формы и положения;
  • воспользовался предположением взаимодействия двух элементов тока;
  • смог вывести конечную гипотезу, пока не пришел к логичным результатам на основе теоретических и практических знаний.

Только к 1827 году Ампер опубликовал обширную работу, которую подтвердил Максвелл. Ученый восстановил механистическую концепцию, которая долгое время не воспринималась в целостном виде.

Замечание 1

После экспериментов Ампера удалось создать прибор, с помощью которого полностью подтверждались размышления ученого. Создателем, так называемого шара Барлоу, стал Леопольд Нобили. Это устройство выглядело как обмотанный металлической проволокой шар сферической формы. Все элементы прибора соединяются электродами, выполненными из цинка и меди.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodinamika/elektrodinamika_ampera/

Электродинамика Ампера (стр. 1 из 2)

Электродинамика Ампера

Марио Льоцци

Одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше, провел свои теоретические и экспериментальные исследования Ампер. 18 сентября 1820 г. он сообщил Парижской Академии наук о своем открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими.

Точнее говоря, в этом своем первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 г. он ввел термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов.

Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид, и многими другими.

Говорят, что, когда Ампер зачитал свой доклад об электродинамических действиях токов, один из его коллег по окончании чтения спросил: «Но что же, собственно, нового в том, что вы нам сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают действие также и друг на друга». Ампер, захваченный врасплох, не знал, что ответить.

Но ему на помощь 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».

Такой случай, по-видимому, действительно был, потому что Ампер в своей большой работе («О математической теории электродинамических явлений, однозначно выведенной из опыта») считает нужным заметить, что из опыта Эрстеда нельзя было логически заключить о взаимодействии двух токов, как из действия двух кусков железа на стрелку нельзя сделать вывода об их взаимодействии. Но рассказывают еще и о другом случае. Лаплас присутствовал на первой публичной демонстрации опыта Ампера. Публика уже расходилась, и Лаплас у выхода стал ждать ассистента, Даниэля Колладона; увидев его, он хлопнул его по плечу и, пристально глядя на него, спросил: «А не вы ли это, молодой человек, подталкивали провод?» Сразу же после открытия Эрстеда физикам показалось вполне естественным объяснить его тем, что при прохождении электрического тока через проводник последний становится магнитом. Такое объяснение было принято Араго, который приступил к опыту, исходя именно из этого представления. Оно было принято также и Био, который упорно придерживался его еще много лет. Его придерживались, также Дэви и Берцелиус. Последний уточнял, что каждое поперечное сечение проводника, по которому проходит ток, становится двойным магнитом с противоположными полюсами. Однако Ампер предложил другое объяснение, которое и является самым гениальным его вкладом в науку: не проводник, по которому течет ток, становится магнитом, а, наоборот, магнит представляет собой совокупность токов. В самом деле, говорит Ампер, если мы предположим, что в магните присутствует совокупность круговых токов, текущих в плоскостях, точно перпендикулярных его оси, в одном и том же направлении, то ток, идущий параллельно оси магнита, окажется направленным под углом к этим круговым токам, что и вызовет электродинамическое взаимодействие, стремящееся сделать все токи параллельными и направленными в одну сторону. Если прямолинейный проводник закреплен, а магнит подвижен, то отклоняется магнит; если же магнит закреплен, а проводник подвижен, то движется проводник.

Легко понять, что в то время, в 1820 г., гипотеза Ампера казалась исключительно смелой, и не удивительна, поэтому та сдержанность, с которой она была встречена. Гипотеза Био и Араго казалась куда более правдоподобной. Но когда в 1821 г.

Фарадей установил вращение токов в магнитном поле, Ампер заметил, что такой эффект нельзя объяснить никаким распределением магнитиков в проводнике, через который проходит ток; такое распределение могло вызвать лишь силы притяжения или отталкивания, но никак не вращающую пару сил.

Ампер заботился больше о том, чтобы найти опытное подтверждение своей собственной гипотезы, нежели о критике чужих теорий. Он подумал, что если магнит понимать как систему круговых параллельных токов, направленных в одну сторону, то спираль из металлической проволоки, по которой проходит ток, должна вести себя как магнит, т. е.

должна принимать определенное положение под воздействием магнитного поля Земли и иметь два полюса. Опыт подтвердил предположения относительно поведения такой спирали под действием магнита, но не совсем ясны были результаты опыта, относящиеся к поведению спирали под действием магнитного поля Земли.

Тогда Ампер решил взять для выяснения этого вопроса один-единственный виток проводника с током; оказалось, что виток ведет себя точно как магнитный листок.

Таким образом обнаружилось непонятное явление: один единственный виток ведет себя как магнитная пластина, а спираль, которую Ампер считал в точности эквивалентной системе магнитных пластинок, вела себя не совсем как магнит.

Пытаясь разобраться, в чем тут дело, Ампер с удивлением обнаружил, что в электродинамических явлениях спиральный проводник ведет себя точно как прямолинейный проводник с теми же концами. Из этого Ампер заключил, что в отношении электродинамических и электромагнитных действий элементы тока можно складывать и разлагать по правилу параллелограмма.

Поэтому элемент тока можно разложить на две составляющие, из которых одна направлена параллельно оси, а другая — перпендикулярно. Если суммировать результаты действия разных элементов спирали, то результирующая окажется эквивалентной прямолинейному току, идущему по оси, и системе круговых токов, расположенных перпендикулярно оси и направленных в одну сторону.

Поэтому, чтобы спираль, по которой проходит ток, вела себя точно как магнит, нужно скомпенсировать действие прямолинейного тока. Этого Ампер, как известно, добился очень просто, выгнув вдоль. оси концы проводника.

Но все же существовало различие между спиралью, по которой проходит ток, и магнитом: полюса спирали находились только на концах, тогда как полюса магнита — во внутренних точках. Чтобы устранить и это последнее различие, Ампер оставил свою первоначальную гипотезу о токах, прямо перпендикулярных оси магнита, и принял, что они расположены в плоскостях, находящихся под разными углами к оси.

Сразу же после своих первых электродинамических опытов Ампер решил вывести формулу для величины силы, возникающей между двумя элементами тока, чтобы из этой формулы можно было найти силу, действующую между двумя частями проводников данной формы и положения.

Не имея возможности проводить опыты с элементами тока, Ампер в 1820 г.

попытался сначала использовать следующий метод: провести тщательные и многочисленные измерения действия двух конечных токов разной формы и положения, затем принять какую-либо гипотезу о взаимодействии двух элементов тока, вывести из нее взаимодействие двух конечных токов и далее модифицировать эту гипотезу до тех пор, пока теоретические и экспериментальные результаты не окажутся в полном соответствии. Это классический путь, многократно испробованный в подобных исследованиях, однако Ампер вскоре убедился в том, что этот способ в данном случае был бы построен на сплошных догадках и желаемые результаты можно получить более прямым путем.

Установив, что подвижный проводник находится точно в равновесии под действием равных сил, вызываемых неподвижными проводниками, размеры и форму которых можно без нарушения равновесия изменять при соблюдении условий, допустимых опытом, Ампер получил возможность непосредственно рассчитать, каково должно быть взаимодействие двух элементов тока, чтобы равновесие при таких условиях действительно не зависело от формы и размеров неподвижных проводников. Он смог успешно применить этот гораздо более узкий критерий, потому что опытным путем было определено четыре случая равновесия, два из которых еще и сегодня приводятся в курсах физики (равенство абсолютной величины сил, действующих на одинаковые токи, текущие в противоположных направлениях; одинаковое действие на прямолинейный подвижный проводник двух неподвижных проводников, прямого и изогнутого, одинаково удаленных и имеющих концы в одних и тех же точках).

Исходя из этих четырех экспериментальных постулатов, Ампер путем довольно сложного доказательства вывел первую из формул электродинамического взаимодействия элементов тока, за которой последовали многие другие формулы, выведенные рядом ученых (Грассманн, Вебер, Риман и др.). Все эти формулы применялись для расчета, и все они подвергались критике. Эти формулы давали величину силы, действующей между двумя элементами тока, в зависимости от сил токов, расстояния между элементами и их взаимного положения.

В ходе теоретических исследований выяснилось, что части одного и того же проводника должны взаимно отталкиваться. Этот факт представлялся Амперу настолько важным, что он счел возможным положить его в основу всей электродинамики и поэтому решил найти ему непосредственное экспериментальное подтверждение.

Таковое Ампер получил в сентябре 1822 г. с помощью приспособления, упоминаемого еще в некоторых современных курсах физики. Это сосуд, разделенный перегородкой на два отделения, наполненных ртутью и соединенных подвижным проводником, плавающим в ртути.

При прохождении тока по проводнику из одного отделения в другое подвижный проводник смещается.

Из своей формулы взаимодействия элементов тока, рассматривая магнит как систему молекулярных токов, Ампер вывел первый закон Лапласа, а из него способом, описываемым во всех современных учебниках,— закон Био и Савара. Ампер вывел также закон Кулона для магнитостатического взаимодействия двух магнитов, рассматриваемых как две токовые системы.

Другое благоприятное для своей теории обстоятельство Ампер видел в том факте, что незадолго до того выведенная Пуассоном формула для силы действия магнитного элемента на элемент северного или южного флюида совпадает с формулой, получающейся из его теории для очень маленькой замкнутой плоской петли тока.

Отсюда сразу же следует, что если замкнутый малый плоский контур тока эквивалентен элементарному магнитику, то, разлагая, как это рекомендуется и сейчас в учебниках, конечный контур на отдельные кольца, можно показать, что замкнутый контур действует точно так же, как элементарные магнитики, которые равномерно распределены по ограниченной этим контуром произвольной поверхности так, что их оси нормальны поверхности. Это знаменитая теорема эквивалентности Ампера.

Источник: https://mirznanii.com/a/119367/elektrodinamika-ampera

Электродинамика Ампера. «Удивительные открытия» | Нечаев Сергей Юрьевич

Электродинамика Ампера

Имя Андре-Мари Ампера (1775–1836) широко известно во всем мире, и сейчас его ежедневно произносят тысячи людей.

Достаточно взглянуть на любой домашний электроприбор, и там можно обнаружить его электротехнические характеристики, например: «-220V 50Hz 3,2А».

Это значит, что прибор рассчитан на питание от стандартной электросети переменного тока напряжением 220 вольт с частотой 50 герц, а сила потребляемого прибором тока составляет 3,2 ампера.

Андре-Мари Ампер

Эта единица силы тока названа в честь великого французского ученого. Парадокс состоит в том, что имя Ампера давно стало достоянием человечества, но мало кто знает о его жизни.

Андре-Мари Ампер родился в Лионе в семье богатого торговца шелками. Его мать, Жанна Сарсе, тоже была дочерью одного из крупных лионских торговцев. Детство Андре-Мари прошло в небольшом поместье Полемье, купленном отцом в окрестностях родного города. Он никогда не ходил в школу, но чтению и арифметике выучился очень быстро.

Его отец, Жан-Жак Ампер, принадлежавший к либеральным кругам буржуазии, свято веривший в прогресс разума, был одним из образованнейших людей своего времени. Он составил богатейшую библиотеку из сочинений известных философов, писателей и ученых, включая труды греческих и римских классиков.

Еще в детстве Андре-Мари Ампер поражал всех своими выдающимися способностями и поистине энциклопедическими знаниями. В истории науки, пожалуй, нет другого такого примера, чтобы 13-летний мальчик направил в Академию наук свои научные работы.

Удивительно, но Андре-Мари сделал это: он послал в Лондон несколько своих трудов по математике, в том числе в одном из них он высказал серьезные замечания по поводу работ всемирно известного математика Леонарда Эйлера (1707–1783). Еще более удивительно то, что этот мальчик никогда не учился в школе, и главным источником его знаний была библиотека отца.

Несмотря на занятость, Жан-Жак Ампер всегда находил время, чтобы лично заниматься воспитанием сына. С трехлетнего возраста Андре-Мари уже с огромным интересом слушал, как отец пересказывал ему отрывки из «Естественной истории» Плиния, узнавая об окружающем его мире, о жизни животных и птиц. Проводя много времени в библиотеке отца, читать мальчик научился сам.

У ребенка очень рано обнаружились математические способности. Сотрудник лионского лицея, друг отца, пораженный ранним развитием мальчика, помог ему понять основы высшей математики, и Андре-Мари увлекся исчислением бесконечно малых величин. Не бросая математики, Ампер с увлечением занимался ботаникой, литературой и историей.

Чтобы было удобнее читать «умные» книги, он самостоятельно выучил латынь и греческий.Вскоре юный Ампер серьезно начал изучать физику. Но самое главное заключалось в том, что он стремился разобраться и глубоко понять прочитанное. А читал он все подряд.

Например, уже в 14 лет он прочитал все 28 томов «Энциклопедии» Дидро и д’Аламбера, в восемнадцать лет – «Небесную механику» Лапласа. А еще у него хватало времени на «аналитическую» механику Лагранжа, на писание стихов и даже поэм, на придумывание международного языка…Разносторонняя творческая жизнь Ампера-младшего была нарушена страшной трагедией.

В июле 1789 года грянула Великая французская революция, началась открытая борьба между умеренными сторонниками реформ и экстремистски настроенными якобинцами. Отца Ампера революция застала на посту лионского судьи. По ложному доносу он был брошен в тюрьму и в 1793 году казнен на гильотине. Узнав об этом, Андре-Мари был так потрясен, что потерял сознание.

Долгое время 18-летний юноша был в состоянии душевного смятения: он забросил занятия, стал замкнутым, целыми сутками не выходил из дома. Вылечили его время и природа. Только уходя далеко в лес, он постепенно начал обретать душевное равновесие.

С 1796 года Андре-Мари Ампер стал давать в Лионе частные уроки по химии, математике, физике и латинскому языку, что позволило ему приобрести педагогический опыт и несколько укрепило материальное положение семьи.В 1799 году он женился, а еще через год у него родился сын, которого в честь трагически погибшего деда назвали Жан-Жаком.

В 1801 году Ампер получил место преподавателя физики и химии в Центральной школе городка Бурк-ан-Бреса (в 60 километрах от Лиона). Потом, по предложению энциклопедиста Жана д’Аламбера, он был назначен преподавателем математики и астрономии в только что открывшемся Лионском лицее.Но судьбе было угодно нанести еще один страшный удар этому талантливому человеку.

В июле 1803 года от «грудной болезни» скончалась его любимая жена, оставив трехлетнего Жан-Жака на руках Ампера и его сестры, которая была вынуждена отказаться из-за этого от своей личной жизни.После этого Ампер твердо решил уехать из Лиона, где все напоминало о печальных событиях, произошедших в его жизни.

Он воспользовался предложением все того же д’Аламбера и переехал в Париж, где с 1804 года был назначен репетитором в Политехнической школе – самой престижной из технических школ Франции, среди первых преподавателей которой были такие крупнейшие ученые, как Жозеф-Луи Лагранж, Клод-Луи Бертолле и др.А тем временем во Франции была провозглашена Империя, и Наполеон был коронован в соборе Парижской Богоматери. Еще будучи первым консулом, Наполеон – покровитель наук и ремесел – специальным декретом создал Ассоциацию содействия промышленности (SPI), которая ежегодно проводила поощрение научно-практических исследований, в том числе и в области электричества.#Autogen_eBook_id40 Алессандро Вольта беседует с Наполеоном и его учеными

В 1801 году в Париж приехал итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1827), и он продемонстрировал Наполеону действие своего «Вольтова столба» – первого в мире гальванического элемента.

На глазах удивленной публики Вольта показывал опыты по «оживлению» отрезанных членов лягушек, ящериц и угрей с помощью малых количеств электричества. Наполеон был настолько поражен увиденным, что щедро наградил «волшебника», и в честь него была выбита памятная медаль.

Потом Наполеон еще два раза посетил выступления Вольта, и каждый раз выступал с речью, из которой следовало, что он считает приезд итальянца важной вехой в истории французской науки.

А примерно через полгода Наполеон направил министру внутренних предложение учредить премию в 6000 франков за лучшие работы в области электричества.Занятый преподавательской деятельностью, Ампер, к сожалению, не принял участия в конкурсе, объявленном Наполеоном.

Специальной премии удостоился англичанин Гемфри Дэви (1778–1829), также много работавший с Вольтовым столбом. После падения Наполеона премия была упразднена. Многие специалисты полагают, что, если бы премия продолжала существовать, она, несомненно, досталась бы Амперу за открытие, которое он сделал несколькими годами позднее.

Надо сказать, что годы юности Ампера – это было время великих открытий в области электричества. Так, первая статья Алессандро Вольта о гальваническом электричестве появилась, когда Амперу исполнилось двадцать пять.

А чего, например, стоили эксперименты Бенджамина Франклина, одного из авторов Конституции США и известного ученого! Американец провел их, когда Амперу было всего шестнадцать лет.

В них Франклин продемонстрировал «электрическое колесо», вращавшееся под действием электростатических сил, ввел общепринятое теперь обозначение электрически заряженных состояний «+» и «—», привел доказательство электрической природы молнии, впервые применил электрическую искру для взрыва пороха и т. д.

Естественно, подобные события не могли оставить увлекающегося Ампера безучастным, и он то и дело стал возвращаться к электричеству.К 27 годам Ампером уже в самом общем виде были сформулированы те идеи, благодаря которым он через несколько лет приобретет всеобщую известность.

Впрочем, некоторые биографы придерживаются сомнительного, но весьма эффектного мнения о том, что вся электродинамика Ампера была придумана им в течение двух недель, последовавших за демонстрацией в Париже опытов датского физика Ганса-Кристиана Эрстеда (1777–1851).

Однако на самом деле такое вряд ли могло быть возможно, ведь вопросы связи электричества и магнетизма занимали Ампера еще за 20 лет до того дня, когда его посетило озарение, и все эти годы он думал о них, может быть, не непрерывно, но достаточно настойчиво.

Из найденных исследователями деятельности Ампера документов следует, что однажды, а именно 24 декабря 1801 года, он присутствовал на докладе знаменитого Алессандро Вольта в Лионской академии наук.

Более того, он не просто присутствовал, но и отважился прочитать собственный доклад, и это были наброски системы, которая должна была бы объединить самые разрозненные отрасли физической науки в одно стройное знание. Таким образом, уже в этом докладе Ампер интуитивно увидел какие-то общие корни, связывающие или, точнее, питающие и электричество, и магнетизм.Однако серьезнее заняться электричеством в те годы Амперу не довелось. У него просто не хватало на это времени. К тому же тогда молодой ученый серьезно увлекся математикой, которую он рассматривал как мощный аппарат для решения всевозможных прикладных задач. В частности, он выполнил некоторые работы, связанные с теорией вероятностей, и одна из них называлась «Соображения о математической теории игры».Отметим, что именно благодаря математическим успехам Ампер начал довольно быстро двигаться по лестнице научной славы (кстати сказать, его кандидатура в Академию будет выдвинута именно по математическому отделению).А в 1805 году Ампер получил место репетитора в Политехнической школе в Париже.

Источник: http://litra.pro/udiviteljnie-otkritiya/nechaev-sergej-yurjevich/read/53

Booksm
Добавить комментарий