Электродинамика

Рождение электродинамики

Поворотным событием для науки об электромагнетизме стал опыт Эрстеда 1820 года, показавший, что электричество и магнетизм связаны друг с другом.

Открытие, прославившее имя Эрстеда, произошло, говорят, случайно. Эрстед на лекции демонстрировал нагревание проволоки электрическим током. Рядом с проволокой на столе оказался компас. Кто-то из студентов заметил, что при замыкании электрической цепи магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону.

Этот, казалось бы, простой факт произвел революцию в умах физиков. У французского физика Андре Мари Ампера сразу же родилась гениальная мысль о возможности связать все явления магнетизма с движением зарядов. Так родилась новая наука, которую Ампер назвал электродинамикой. Завершил же построение классической электродинамики Максвелл 45 лет спустя, в 1865 году.

На основе открытия Эрстеда Ампер сделал первый прибор для измерения силы тока (и, кстати, ввел сам термин «сила тока» — не случайно единицу измерения силы тока через много лет, в 1893 году, назвали ампером). Это было устройство со свободно подвешенной намагниченной иглой, которая отклонялась под действием тока, позволяя, таким образом, судить о его силе. Этот прибор позволил в дальнейшем сделать много новых открытий. С его помощью были установлены законы цепей постоянного тока, а также закон электромагнитной индукции.

В основе электродинамики лежат два утверждения:

• Магнитное поле создается электрическими токами, то есть движущимися зарядами.
• Магнитное поле действует на электрические токи, то есть на движущиеся заряды.

Из этих двух постулатов следует, что электрические токи должны действовать не только на магнит, но и друг на друга, что Ампер вскоре и продемонстрировал. Так, две катушки с током (Ампер назвал их соленоидами) взаимодействуют друг с другом, как магниты: одними концами они притягиваются, а другими — отталкиваются (см. рис. 1). Ему удалось наблюдать и взаимодействие прямых параллельных токов: токи, текущие в одну сторону, притягиваются, а в противоположные стороны — отталкиваются. Силу взаимодействия токов называют теперь силой Ампера.

Рисунок 1. Катушки с током взаимодействуют, как постоянные магниты

Чтобы объяснить магнитные свойства Земного шара, Ампер предположил, что в его недрах циркулируют токи. Как мы теперь понимаем, эти токи возникают в железном жидком внешнем ядре из-за вращения Земли.

Но что общего у постоянных магнитов с токами? Ампер высказал чрезвычайно плодотворную гипотезу о том, что внутри магнитных веществ (таких как железо или никель) имеются круговые микротоки (молекулярные токи). Если вещество не намагничено, эти микротоки ориентированы хаотично (то есть текут в различные стороны). Будучи помещенными в поле другого магнита, микротоки ориентируются одинаково — и вещество намагничивается (см. рис. 2.).

Рисунок 2. Не намагниченное (слева) и намагниченное вещество