ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018
ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЗВ’ЯЗКУ ЕЛЕКТРИКИ З МАГНЕТИЗМОМ
Коли 43-річний копенгагенський професор Хане Крістіан Ерстед (1777-1851) розіслав європейським колегам свій памфлет, що відразу став знаменитим, про дію електричного струму на магнітну голку — усього чотири сторінки латинською мовою — і коли багато вчених з ним познайомилися, їхньому здивуванню не було меж. Невже струм діє на магніт настільки дивно?
Щоб розібратися в «проблемі Ерстеда», яку безперечно слід вважати ключовою в електриці й магнетизмі, потрібно повернутися на два сторіччя назад і уявити собі маленький датський острів Лангеланд, на ньому містечко за назвою Рюдкобінг і родину бідного аптекаря, у якій народився Хане Крістіан. Злидні були постійними супутниками родини, і початкову освіту братам Хансу Крістіану й Андерсу довелося одержувати аби-де: міський перукар учив їх німецької мови; його дружина — датської; пастор маленької церковки навчив їх правил граматики, познайомив з історією й літературою; землемір навчив додаванню й відніманню, а заїжджий студент уперше розповів їм дивовижні речі про властивості мінералів, розбудив допитливість і привчив відчувати аромат таємниці. У двадцять років Хане, що був прилучений до науки й пізнав настільки малу її частину, змушений був стояти за стійкою батьківської аптеки й допомагати йому. Тут медицина надовго зачарувала його, потіснивши хімію, історію, літературу, і ще більше зміцнила в ньому впевненість у його науковому призначенні. Він вирішує вступити до Копенгагенського університету, але не знає, що вивчати. Він береться за все: за медицину, фізику, астрономію, філософію, поезію. Він захоплений усім відразу й усім серйозно. Вельми доречною була стипендія, заснована професором медицини Кранценштейном, який викладав раніше в Санкт-Петербурзі.
Разом з Хансом навчався також брат, але юриспруденції. Тримаючись за руки, брати гуляли зеленими галявинами університетських дворів або сиділи на східцях стародавніх будинків, або в гучних аудиторіях, задумані, з палаючими очима. Початок їхнього служіння науці був схожий на містичне дійство, яке настільки підходить до цих монастирських стін і холодних келій зі стрілчастими вікнами. Хане був щасливий в університетських стінах; він писав пізніше, що для того, щоб юнак був абсолютно вільним, він повинен насолоджуватися у великому царстві думки й уяви, де є боротьба, де є свобода. Де переможеному дається право повстати й боротися знову. Він жив, захоплюючись труднощами й першими невеликими перемогами, пізнанням нових істин і усуненням попередніх помилок. Золота медаль університету 1797 р. була присуджена йому за есе «Границі поезії й прози». Здавалося, він заздалегідь ставив хрест на науковій кар’єрі, віддаючи перевагу різнобічності професіоналізму. Наступна його робота, також високо оцінена, була присвячена властивостям лугів, а дисертація, за яку він одержав звання доктора філософії, — медицині.
Наступило нове сторіччя. У веремії Французької революції, на полях боїв американської війни за незалежність народжувалося нове сприйняття світу, відбувалося очищення розумів і душ від сталих догм, вітер свободи вабив молодих. Промисловий переворот, що саме розпочався, затопив традиційний світ техніки нескінченним потоком практичних винаходів. XIX ст. заявило про себе новим способом життя й думок, новими соціальними ідеями, філософією, сприйняттям мистецтва й літератури. Усе це приваблює Ханса, він прагне потрапити туди, де вирує життя, де вирішуються головні літературні й філософські питання — до Німеччини, Франції, інших європейських країн. Данія була в цьому плані провінцією Європи, й Ерстед не міг гам залишатися. Він шукав розуміння, шукав нових друзів.
Його талант, завзятість і випадковість сплелися в щасливий клубок, і ось він, блискуче захистивши дисертацію, їде на річне стажування до Франції, Німеччини, Голландії. У той час вій скоріше був філософом, аніж фізиком. Його нові друзі — здебільшого філософи. Багато часу він провів у Німеччині. Там слухав лекції Фіхте про можливості досліджень фізичних явищ за допомогою поезії, про зв’язок фізики з міфологією. Йому подобалися лекції Шлегеля, але Ерстед не міг погодитися з ним щодо необхідності відмовитися від безпосереднього, експериментального дослідження фізичних явищ. Його вразив Шеллінг, як раніше вразив Гегель. Його захопила ідея також загального зв’язку явищ, він побачив у ній виправдання своєї гаданої безладності — усе вивчене ним виявлялося за цією філософією взаємозалежним і взаємообумовленим. Він став одержимим ідеєю загального зв’язку — зв’язку всього з усім. Швидко знайшлася й споріднена душа, що мислить так само, як він, настільки ж різнобічна й поетична. Це був фізик Ріттер, винахідник акумулятора, геніальний фантазер, джерело навіжених ідей. В одному з листів Ерстеду Ріттер, зокрема, висловив таку думку: роки максимальних нахилень екліптики (великого кола небесної сфери щодо небесного екватора), на його думку, відповідали рокам найбільших відкриттів в галузі електрики. Так, 1745 р. відзначений винаходом лейденської банки, 1746 р. Вільке винайшов електрофор (прилад для одержання статичної електрики в невеликих кількостях), 1782 р. з’явився конденсатор Вольта, а 1801 р. — вольтів стовп. «Ви можете тепер обчислити, — писав Ріттер, — що епоха нових відкриттів настане в 1819 або 1820 році, і ми зможемо стати її свідками». Це пророкування справдилося: відкриття відбулося 1820 р., зробив його Ерстед.
Ідея загального зв'язку не давала Ерстеду спокою. Він продовжував пошуки. У 1813 р. у Франції виходить його праця «Дослідження ідентичності хімічних і електричних сил». У ній Ерстед уперше висловлює ідею про зв’язок вольтової електрики й магнетизму. Він пише: «Треба випробувати, чи не існує... яких-небудь дій на магніт...» Його міркування були простими: електрика народжує світло — іскру, звук — тріск, нарешті, вона може проводити тепло — дріт, що замикає затискачі лейденської банки, нагрівається. Чи не може електрика викликати магнітні явища? Кажуть, Ерстед не розставався з магнітом. Цей шматочок металу повинен був змушувати його думати.
Ідея зв’язку електрики й магнетизму носилася в повітрі, і багато найкращих умів Європи були нею захоплені. Франц Епінус відзначав їхню подібність, а Франсуа Араго багато років збирав таємничі, на перший погляд, історії про кораблі, скарби й незвичайні небесні явища, у яких він теж бачив цей зв’язок, що постійно вислизав.
Одного разу на рейді Пальми, головного порту Майорки, з’явилося французьке військове судно «Ля-Ралейн». Стан його було настільки жалюгідним, що корабель ледве дійшов до причалу. Коли команда поступилася місцем декільком іменитим французьким ученим, у тому числі двадцятидворічному Араго, з’ясувалося, що корабель зруйнований блискавкою. Араго відразу ж оглянув компаси й побачив те, що очікував: стрілки компасів указували в різні боки...
Через рік, порпаючись у тому, що ще кілька днів назад було генуезьким судном (воно розбилося, наскочивши на скелі поблизу берегів Алжиру), Араго знову виявив, що стрілки компасів розмагнічені. У пітьмі туманної ночі капітан направив судно на скелі, обманутий ураженим блискавкою компасом...
Усі ці, на перший погляд, малозначні й не пов’язані між собою факти Араго збирав не дарма. Блискавка — це гігантська електрична іскра! Зараз нам важко відчути сенсаційність такого твердження, але в той час багато простих людей, не те що вчених, захоплено привітали це відкриття: воно відкривало шлях в галузь нових «серендипіті» — відкриттів на кожному кроці. Араго, що зібрав безліч фактів, які свідчать про зв’язок електрики з магнетизмом, почував, що він на порозі нового відкриття.
Радість і досада — ось, можливо, ті почуття, які він відчував, коли довідався про вирішення того завдання, яке так довго не давалося йому, — рішення, знайдене Ерстедом.
Це дивовижне відкриття стало заледве не класичним прикладом щасливої випадковості. Не зрозуміла навіть дата відкриття. Одні дослідники відносять його до 1819 р. інші — до 1820 р. Дехто сумнівається навіть в авторстві Ерстеда. Справді, обставини відкриття дають можливість для перекручувань. 15 лютого 1820 р. Ерстед, уже заслужений професор, чи гав студентам лекції з фізики. На лабораторному столі знаходилися вольтів стовп, дріт, що замикає його, затискачі й компас. У той час, коли Ерстед замикав ланцюг, стрілка компаса здригалася й поверталася в напрямку до дроту. Це було перше безпосереднє підтвердження зв’язку електрики й магнетизму. Це було те, що так довго шукали всі європейські й американські фізики. Рішення проблеми було разюче простим.
Здавалося б, усе зрозуміло. Ерстед продемонстрував студентам ще одне підтвердження своєї давньої ідеї про загальний зв’язок різнобічних явищ. Але чому ж виникають сумніви, чому навколо цієї події згодом розгорілося так багато палких суперечок? Справа в тому, що студенти, які були присутні на лекції, розповідали потім зовсім інше. За їхніми словами, Ерстед хотів продемонструвати на лекції всього лише цікаву властивість електрики нагрівати дріт, а компас опинився на столі випадково. І саме випадковістю оголосили вони те, що компас лежав поруч із цим дротом, і зовсім випадково, на їхню думку, один студент звернув увагу на стрілку, що повертається, а подив професора, за їхніми словами, був непідробним. Сам Ерстед у своїх пізніших роботах писав: «Усі присутні в аудиторії свідки того, що я заздалегідь оголосив про результат експерименту. Відкриття, таким чином, не було випадковістю...»
Слід сказати, що відхилення стрілки компаса в лекційному досліді було досить незначним, і тому в липні 1820 р. Ерстед знову повторив експеримент, використовуючи потужніші батареї. Ефект був значно сильнішим, причому тим сильнішим, чим товстішим був дріт, яким він замикав контакти (чим більший діаметр дроту, тим менший його опір і, отже, більший струм короткого замикання). Крім того, він з’ясував одну дивну річ, що не вкладається в ньютонівські уявлення про протидію. Висловлюючись його ж словами, «магнітний ефект електричного струму має круговий напрямок».
Чим же був здивований учений? Чому у своєму чотиристорінковому памфлеті він ретельно перераховує свідків і їхні заслуги? Серед присутніх при досліді «Лауріц Есмарх — видатний учений; міністр юстиції, гідна людина Влейкель — кавалер ордена Данії...» Справа в тому, що Ерстед, трактуючи експеримент, висловив глибоку думку про вихровий характер електромагнітних явищ. «Вихроподібність» процесу, що викликає в пам’яті вир, вихор, спіраль, довго не знаходила прихильників, і навіть Фарадей спочатку не оцінив цю думку. Він ще довго був переконаний у тому, що сили, які діють між провідниками зі струмом і магнітною стрілкою, — це сили притягання й відштовхування, що підкоряються законам Ньютона.
Дослід Ерстеда доводив не тільки зв’язок між електрикою й магнетизмом. Недарма Ерстед у своєму памфлеті перераховує свідків. Те, що відкрилося йому, було новою таємницею, що не укладається в рамки ньютонівських законів і прямо порушує третій з них: напрямок збуджувальної сили — електрики (обумовлений напрямком дроту) і сили реакції — магнетизму (обумовленої напрямком магнітної стрілки) були в Ерстеда перпендикулярні. Учені, що скупчилися біля лабораторного столу Ерстеда, уперше бачили «протидію», не протилежну за напрямком «дії».
Памфлет Ерстеда побачив світ 21 липня 1820 р. Подальші події розвивалися в досить незвичному для неквапливої тоді науки темпі. Уже через кілька днів памфлет з’явився в Женеві, де в той час перебував з візитом Араго. Перше ж знайомство з дослідом Ерстеда показало йому, що знайдено розгадку завдання, над якою бився й він, і чимало інших. Враження від дослідів було настільки велике, що один із присутніх при демонстрації піднявся й із хвилюванням вимовив фразу, що згодом стала знаменитою: «Панове, відбувається переворот...»
Араго повернувся до Парижа враженим. На першому ж засіданні Академії, на якому він був присутній відразу після повернення, 4 вересня 1820 р. він робить усне повідомлення про досліди Ерстеда. Записи, зроблені в журналі рукою протоколіста, свідчать, що академіки просили Араго вже на наступному засіданні, 11 вересня, тобто через тиждень, продемонструвати дослід Ерстеда.
Повідомлення Араго слухав і раптово зблідлий академік Ампер. Він, мабуть, відчув, що прийшла його нора перед обличчям усього світу прийняти з рук Ерстеда естафету відкриття. Він довго чекав цієї години, встиг зістаритися, перетворитися з юнака на солідного професора. І ось час настав — 4 вересня 1820 р. Ампер зрозумів, що повинен діяти. Через два тижні він повідомив про народження електродинаміки.