Однако, преодолевая невзгоды, Ампер продолжал научные исследования в области математики, химии, физики и философии. По представлению крупнейших академиков Лагранжа и Лапласа в 1814 году он избирается членом французской Академии наук благодаря его обширному труду, посвященному дифференциальным уравнениям в частных производных. Став академиком, он близко познакомился со всемирно известными учеными-математиками Лапласом, Лежандром, Фурье, механиком Монжеле, физиками Био, Араго, Саваром и др. Как писал об Ампере один из академиков, «...ни один человек не высказывает столько новых идей в разговорах и дискуссиях, как он».
Андре-Мари Ампере, круг научных интересов которого был весьма широким – математика, химия, физика, философия. Первую часть очерка автор посвятил жизненному пути этого необыкновенно одаренного от природы человека, еще в детстве поражавшего своими выдающимися способностями и поистине энциклопедическими знаниями. Сегодня речь пойдет о научных достижениях знаменитого ученого, который ввел в науку термин «электрический ток», понятие о направлении электрического тока и за полтора века предсказал возникновение науки об общих закономерностях процесса управления, связи и организованных системах – кибернетики.
Ньютон электричества
Звездный час в жизни Ампера наступил в сентябре 1820 г., когда он впервые узнал об открытии датским физиком Г. Х. Эрстедом (1819) действия электрического тока на магнитную стрелку и занялся повторением его опытов.
Нужно сказать, что если бы Ампер ограничился только исследованиями в области математики, то вряд ли он был бы известным в наше время. А может, и вообще оказался бы забытым как одаренный математик, которому нелегко было бы прославиться на фоне таких его современников, как Лаплас, Фурье, Коши.
Сообщение об открытии Эрстеда было сделано на заседании французской Академии наук известным ученым другом Ампера академиком Д. Ф. Араго. На одном из этих заседаний, где присутствовал Ампер, Араго повторил опыты Эрстеда. До этого Ампер серьезно не занимался исследованиями в области электромагнетизма. Летом 1820 г. Ампера в Париже не было, и он не только не был знаком с небольшим мемуаром Эрстеда, но и ничего не знал о его экспериментах.
Если большинство присутствовавших на заседании академиков, не занимавшихся изучением электрических явлений, особого интереса к открытию Эрстеда не проявили, то Ампер буквально был потрясен этим экспериментом. Одаренный от природы необыкновенными способностями, обладавший энциклопедическими знаниями в области естественных наук и завидным чувством научного предвидения, Ампер интуитивно понял значение этого открытия для будущих успехов в области электромагнетизма. Он немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового, ранее неизвестного явления.
Прежде всего он тщательно повторил опыты Эрстеда и сразу же отметил неточность его выводов, так как Эрстед не учел действия на магнитную стрелку магнитного поля Земли. И уже через неделю (всего через неделю!) Ампер выступает на заседании Академии наук с докладом о своих новых открытиях в области электромагнетизма. А затем почти подряд неделю за неделей (на регулярных заседаниях Академии) излагает перед крупнейшими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.
Араго заметил, что проволока из мягкого железа намагничива. Ампер посоветовал Араго заменить прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом помещенная внутри спирали металлическая игла намагничивалась более интенсивно. Так был создан первый соленоид, магнитные свойства которого были аналогичны постоянному магниту с двумя разноименными полюсами.
Ампер поразительно наглядно продемонстрировал магнитные свойства проволоки, согнутой в кольцо, аналогичные «тонкому листку» постоянного магнита. И кольцо, и «листок» имели разноименные магнитные полюса, что убедительно подтверждало электрическую природу магнетизма.
Соленоид можно представить как совокупность бесконечно малых сомкнутых круговых токов, перпендикулярных к одной и той же линии, проходящих через их центр тяжести и имеющих одинаковое направление. Ампер утверждает, что «какой угодно малый замкнутый ток действует на любой магнитный полюс, так же как будет действовать малый магнит, помещенный на месте тока, имеющий ту же магнитную ось». Ампер неоднократно подчеркивает, что «единственной причиной электромагнитных явлений является электричество».
Поразительно, что никто до Ампера не пришел, казалось, к очевидному выводу: если круговой ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов.
Прежде чем рассмотреть работы Ампера с линейными токами, отметим, что он впервые ввел в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества «от плюса к минусу» во внешней цепи. Он сумел сформулировать и еще одно важное правило – о направлении отклонения магнитной стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило стало известным под названием «правило пловца» и формулировалось следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку вдоль проводника с током так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».
Следует отметить, что Ампер был прежде всего теоретиком и экспериментами занимался редко. Но в данном случае он почувствовал необходимость проверки на опыте правильности своих идей, и сам соорудил несколько оригинальных приборов, лишь иногда прибегая к помощи слесаря.
Для исследования линейных токов Ампер создал так называемый «станок Ампера» (см. рисунок). С помощью этого оригинального устройства он мог наблюдать изменения положения подвижного проводника от другого – неподвижного. Он экспериментально доказал, что два «линейных» тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное.
На основании многочисленных экспериментов Ампер сформулировал закон взаимодействия «линейных» токов: «два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, тогда как два параллельных и противоположно направлные явления Ампер предложил назвать «электрдинамическими» в отличие от известных электростатических явлений. Позднее электродинамика превратилась в один из важнейших разделов физики.
Исследования Ампера заметно отличались от работ некоторых ученых, занимавшихся изучением явлений электромагнетизма, но ограничивавшихся лишь качественными наблюдениями и не пытавшихся выяснить механизм происходящих процессов, а тем более обобщить их.
Ампер же не только дал глубокий анализ наблюдавшихся явлений, но, что очень важно, сумел теоретически обобщить результаты экспериментов и вывести формулу, позволяющую определить силу взаимодействия токов, сделав, как писал один из биографов, «немеркнущий вклад, оставшийся на все времена в сокровищнице науки».
Подобно Кулону, установившему закон взаимодействия электрических зарядов, Ампер, опираясь на принципы Ньютона о взаимодействии масс, уподоблял этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предполагал, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, проходящей через середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов токов и величине самих токов. Он также установил, что сила взаимодействия между токами зависит от углов между элементами токов и линией, соединяющей их середины. Измерение силы взаимодействия токов было чрезвычайно затруднительным, так как никаких измерительных приборов не существовало.
Ампером был придуман и изготовлен ряд приборов, с помощью которых он, обладая обширными математическими знаниями, сумел выполнить достаточно точные измерения силы взаимодействия токов. Позднее великий Максвелл отметил эти измерения как чрезвычайно оригинальные.
Далеко не всем известно, что Ампер был одним из пионеров электрометрии. В наше время огромную роль в исследовании электротехники и электросвязи играет точность измерений. Одним из первых электроизмерительных приборов был гальванометр. Обычно в литературе создание гальванометра связывают с именем немецкого физика профессора Иоганна С.Х. Швейггера, который в сентябре 1820 г. демонстрировал прибор, названный им «мультипликатором». Прибор представлял собой рамку с током, внутри которой на оси помещалась магнитная стрелка, отклонявшаяся при прохождении по рамке тока. Ампер в это время еще только изучал опыты Эрстеда.
Ознакомившись с прибором Швейггера, Ампер сразу же указал на его неточность – в нем не учитывалось действие на магнитную стрелку магнитного поля Земли. Для устранения этого влияния Ампер в 1821 г. предложил «астатическую пару», представляющую собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси параллельно друг другу с полюсами, обращенными в разные стороны. Такую пару использовал в мультипликаторе в 1825 г. флорентийский профессор Л. Нобили. Этот прибор стал прообразом гальванометра, и термин «гальванометр» Ампер впервые употребляет в своих работах.
Среди электроизмерительных приборов, предложенных Ама», предназначенное для изменения направления тока в проводниках. Он также первым стал применять подключение токоведущих элементов приборов с помощью чашечек со ртутью.
Несмотря на что, что Академия наук не выделяла средств на проведение экспериментальных исследований, Ампер, нередко сам нуждающийся в средствах, строил необходимые приборы на свои сбережения. До наших дней сохранился старинный столик, сделанный руками Ампера, на котором он проделал главнейшие опыты в маленькой комнатке своей скромной квартиры на улице Фоссе-де-Сен-Виктор.