История физики

Чем более развитым становится человеческое общество, тем больше его потребность в энергии.

Важнейшим шагом в развитии энергетики явилось открытие и широкое применение электричества. На протяжении нескольких ве-ков постепенно открывались электрические явления. К ним можно отнести электризацию тел при трении (начало 17 века); электриче-ские заряды, их взаимодействие(18 век); явления атмосферного электричества (вторая половина 18 века); химические источники электричества, электрический ток (конец 18 века); установление взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями; электромагнитная индукция; электромагнитная природа света, эле-ментарный электрический заряд- электрон (19 век).

В настоящее время перечень известных и разрабатывае-мых источников электрической энергии очень широк. В него входят все виды ТЭС, ГЭС, МГД – электростанции и такие пре-образователи энергии, как солнечные элементы, термоэлемен-ты, топливные элементы и многие другие. Разработкой подоб-ных источников энергии занимается наука электродинамика.

В начале изучения классической электродинамики мы получи-ли задание, выяснить, с каким открытием можно связать рождение этой науки. Авторы разных книг по истории физики ведут отсчет от разных событий. Одни считают главным открытием Майкла Фара-дея, другие - опыты Ампера. Не раз мы читали об открытии Эрстеда, как о важнейшем в области электромагнетизма. С опыта Эрстеда начинается изучение электромагнитных явлений в школьном учеб-нике. По этой причине мы и занялись его внимательным изучением.

Академик Аркадий Бенедиктович Мигдал называет экспери-ментальные факты золотым фондом физической науки. Экспери-мент датского ученого - важная часть этого фонда.

Демонстрация его в кабинете физики с современными приборами очень наглядна и проста. Наблюдение с помощью кодоскопа прово-дится в проекции на экран. Физическая суть происходящего состоит в том, что при пропускании тока по проводнику магнитная стрелка устанавливается перпендикулярно ему. Из опыта следует, что вокруг проводника с током есть магнитное поле. Отсюда вывод: электриче-ство и магнетизм связаны между собой.

Известно, что сообщение Эрстеда об этом в 1820 году вызвало сенсацию. Новые открытия появились одно за другим. В этом же го-ду Араго изобрел электромагнит, Ампер обнаружил взаимодействие параллельных токов, Фарадей в 1821 году построил первый элек-тромотор.

Понятно, почему с открытием Эрстеда часто связывают рожде-ние электродинамики. Но и оно произошло не на пустом месте. Чем больше мы вникали в суть самого явления, тем больше возникало вопросов. Вот основные из них:

1. При каких условиях было сделано открытие?

2. С какими трудностями столкнулся учёный?

3. Кто он – один из творцов электродинамики? Каким он был че-ловеком?

4. Открытие Эрстеда - случай или закономерность?

У профессора физики Ханса Кристиана Эрстеда, читавшего лек-ции студентам в 1820 году, в качестве источника тока был вольтаический аппарат (гальванический элемент), изобретенный Вольта более 20 лет назад, цилиндрический столбик из пар медной и цинковой пластинок, разделенных влажными кружками ткани.

Чтобы лучше представить те условия, при которых работал Эр-стед, мы попробовали сделать батарею гальванических элементов по руководству Василия Петрова, который, как известно, собрал ее из 2100 пар пластин. Одна из пластинок – цинковая. Вторая в паре пла-стина из чистой меди. Между парами вставляли кожу, пропитанную раствором серной кислоты или уксуса. Разность потенциалов между крайними пластинками достигала 10В, а ток до 200 мА. История соз-дания Вольтова столба – тема для особого разговора. Знакомство с ней наряду с изучением истории открытия Эрстеда нам также по-могло разобраться в поставленных вопросах.

Интересно то, что первые опыты профессора А. Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощу-щался кислый вкус, такой же, как при «пробовании на язык» прово-дов от известных в то время источников электричества. Если Галь-вани считал, что ткани организма лягушки, которую он препариро-вал, касаясь их разнородными металлами, являются источником электричества, то Вольта убедился в том, что эти ткани – индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов.

В книге «Как рождаются физические теории» академик Мигдал расшифровывает цепь научного познания, представляя ее шестью звеньями. Мы попытались выделить эти звенья в ходе эксперимен-тальной работы и теоретических выводов Эрстеда.

1. Постановка научного эксперимента, имеющего повто-ряющиеся результаты. Опыт на лекции 15 февраля 1820 года.

2. Предположения, гипотезы.

Предположения Эрстеда о неверности представлений об отсут-ствии связи между электричеством и магнетизмом.

3. Новый эксперимент. Уточнение.

Исследования до июля 1820 года.

4. Интуиция, озарение – вывод Эрстеда о существовании «вих-ря» вокруг проволоки, который и вызывает поворот стрелки. Эрстед был близок к идее поля.

5. Скачок, новая теория, снова опыт.

К этому звену, очевидно, следует отнести, порожденные от-крытием Эрстеда, открытия Ампера, Фарадея и других творцов электродинамики.

Вольтов столб занимал воображение ученых. Они соперничали друг с другом, изготовляя батареи все больших размеров и лучшего качества, расплавляя куски металла и изобретая разные методы электрической сигнализации. Мысль о связи между магнетизмом и электричеством витала в воздухе и приходила в голову не одному Эрстеду.

Представляется странным, что открытие этой связи заставило себя ждать 20 лет. Мы видим, что связь эта очень проста. Тем более что ее искали, и все средства уже были под рукой. «По сравнению с открытием Гальвани открытие этой связи было детской забавой». (5) Английский физик Липсон объясняет долгое ожидание открытия тем, что ученые того времени слишком увлеклись новой игрушкой, которую придумал для них Вольта.

В некоторых книгах пишут, что открытие Эрстеда произошло случайно. Так же случайно, как открытие магнитного камня в 5 веке до нашей эры, как открытие «животного электричества» Гальвани. Во время лекционной демонстрации Эрстед заметил, что стрелка компаса уклоняется от своего направления. И только после лекции, повторив свои действия, он обнаружил, что «виноват» в этом про-водник, подключенный к вольтаическому аппарату.

Мы попытались воспроизвести установку по рисунку из трак-тата Эрстеда. Его работа называется «Опыты, относящиеся к дейст-вию электрического конфликта на магнитную стрелку». Мы стара-лись следовать плану наблюдений, описанному в ней. Расстояние от стрелки до провода выдержали ¾ дюйма (около 19 мм), как указано в трактате. Наше наблюдение совпало с авторским: стрелка откло-нялась на 45. И так же как у Эрстеда при увеличении расстояния угол уменьшался. Убедились, что мощность аппарата влияет на угол отклонения. Так же, как Эрстед, перемещали проволоку к востоку или к западу, оставляя ее параллельно стрелке, и наблюдали тот же эффект. Мы меняли полярность источника питания и убедились, что направление стрелки меняется на противоположное. Мы сравнивали поведение 2-х стрелок – под проводником и над про-водником, стрелки поворачиваются в разные стороны. Мы ста-вили проволоку перпендикулярно меридиану и не наблюдали пово-рота стрелки, как и автор опыта. Между проволокой и стрелкой по-мещали бумагу, металл, стекло и убеждались, что помехой явлению это не было.

Разбираясь во всех тонкостях опыта Эрстеда, мы отметили, что ученый, который, наверное, испытывал радость от успеха, все-таки работал неспешно. Он не публиковал свое открытие до тех пор, пока не исследовал его всесторонне. Нужно было время и терпение. Это мы почувствовали на себе, пока выполняли опыты сами. Очевидно, что кроме объективных условий, необходимых для свершения экс-перимента, нужны были любознательность, терпение, ответствен-ность. Это, наверное, и есть качества профессионала, которыми об-ладал Эрстед. Профессором физики он стал в 1806 году. До этого он обучался фармацевтике и был адъюнктом на медицинском факуль-тете.

Известно, кроме того, что до Эрстеда еще 1802 году итальян-ский физик Джованни Романьози заметил странное поведение стрелки вблизи провода с током, но совершенно не оценил значения своего наблюдения.

Очевидно, нужен был для открытия такой человек, как Эрстед, сумевший разобраться в природе явления.

Автор книги «Великие эксперименты в физике» пишет, что для того, чтобы отделить важное наблюдение от малозначительного, нужен великий ум.

Обращаясь к книге Эрстеда, мы находим, что током считали кон-фликт между положительным и отрицательным полюсами источни-ка. Поле связывали с вихрем, замкнутость цепи не считалось обяза-тельным условием для создания магнитного поля. Сейчас это звучит наивно.

Так что были и объективные трудности при описании явления взаимодействия стрелки и провода с током в 1820 году. Были и ошибки. Ученый считал, что для эффекта проволока должна быть раскаленной, что совсем не обязательно на самом деле.

Есть и такая версия об открытии, состоявшемся в 1820 году. Эрстед демонстрировал студентам тепловое действие тока. Один из студентов обратил внимание во время демонстрации на странное поведение стрелки компаса и сообщил об этом преподавателю. Так что, если открытие Эрстеда – случай, то случай, выпавший не