Амперу принадлежит идея гальванометра (термин его), основанного на действии тока на стрелку; Ампер вводит понятия и термины “напряжение”, “сила тока”, “направление тока”. Таким образом, Ампер является основателем электродинамики. Не случайно Максвелл назвал его “Ньютоном электричества”.
Дарования Ампера проявились очень рано – в тринадцать лет он прочел все двадцать томов энциклопедии Дидро, хотя официального образования и не получил. Интересы его были чрезвычайно обширны: разные отрасли математики (теория игр, геометрия), биология, геология, лингвистика, философия, химия и, конечно, физика. Вот те отрасли знания, которыми он занимался. Окружающим он казался человеком странным: близорукий, рассеянный, доверчивый, мало обращающий внимание на свой внешний вид, да к тому же имеющий не столь ценимую обычно привычку прямолинейно говорить человеку все то, что думаешь о нем.
Его открытия многие коллеги не понимали и встречали скептическими усмешками. Приборы он покупал и изготовлял на свои деньги, а их было мало. Приходилось выпрашивать дополнительную работу у университетского начальства, отправляться в инспекционные поездки по провинциальным училищам, составлять отчеты о них по требованию начальства, получавшего, видимо, удовольствие от возможности унизить оригинала–ученого. А он был человеком редчайшей скромности. Немногие современники по достоинству оценили его заслуги, слава пришла к нему лишь после смерти. “Смерть Ампера – несчастье национальное”, – сказал Араго. Но это, конечно, была потеря не одной Франции.
Итак, был сделан еще один шаг на пути к понятию поля – установлена связь электричества и магнетизма. Но электродинамика Ампера, равно как и электростатика, получившая к этому времени стройное математическое оформление, была основана на дальнодействии. Тот факт, что ньютоновская программа поиска математических законов сил без выяснения механизма их действия успешно реализовалась в результате установления законов Кулона, Ампера и Био-Савара-Лапласа, еще более укреплял принцип дальнодействия. А вихри материи, якобы циркулирующие вокруг проводника с током и поворачивающие стрелку, электрические и магнитные атмосферы вокруг магнитов, токов и заряженных тел, были гипотезами, без которых можно было обойтись, так как они не вытекали из фактов и не давали никаких математических выражений для сил. Какую оригинальность суждений, непредвзятость мнений и своеобразие видения мира нужно было проявить, чтобы в эпоху безраздельного господства дальнодействия выдвинуть идею поля, чуждую духу науки того времени и научным традициям. Этот революционный шаг был сделан Майклом Фарадеем (1791-1867).
5. Идея близкодействия в работах Фарадея.
Не буду подробно рассматривать всего, что сделал Фарадей для физики, перечислю лишь основные его открытия, остановившись подробно только на работах, связанных с обоснованием концепции близкодействия. К числу основных открытий Фарадея относятся следующие:
открытие сжижения газов и предвидение существования критической температуры;
открытие вращения проводника с током вокруг магнита, что явилось прообразом современного электродвигателя;
открытие явления электромагнитной индукции и самоиндукции, что позволило ему создать первую действующую модель униполярной динамо-машины;
доказательство единой природы разного вида электричества, получаемого различными способами;
установление законов электролиза и выдвижение идеи об атомарности электричества;
создание теории электростатической индукции и поляризации диэлектриков, введение понятия диэлектрической проницаемости;
изучение магнитных свойств вещества, открытие диа- и парамагнетизма;
изучение проводимости газов;
открытие вращения плоскости поляризации света под действием магнетизма;
создание основ учения о поле.
Обращусь к тем работам Фарадея, которые наиболее близки к проблеме поля, и прежде всего к открытию электромагнитной индукции.
Опыты Эрстеда и работы Ампера, доказавшие связь электричества и магнетизма, вызвали у молодого Фарадея глубокий интерес к электромагнетизму. И это понятно – идея взаимосвязи явлений, единства сил природы была ведущей и мировоззрении Фарадея: “Я давно придерживаюсь мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или ... так взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга”. Не удивительно поэтому, что уже в 1821 г. он записывает в своем дневнике в качестве задачи: “Превратить магнетизм в электричество”. После этого он все время носит в кармане магнит и проволоку, может быть, для того, чтобы они были постоянным напоминанием о поставленной цели и всегда были под руками для проверки возникающих мыслей.
Соображения симметрии невольно наталкивают на мысль: если за счет электричества создается магнетизм, то должно быть справедливым и обратное суждение. Мысль Фарадея 11 лет занята этой проблемой, но способ ее решения долго не давался в руки.
Почему идея тех опытов, которые может выполнить ныне каждый старшеклассник, оказалась столь трудной для Фарадея, человека необычайного ума? Причин тут много. И прежде всего трудности теоретического характера. В науке того времени только зарождались понятия электрического тока, силы тока, напряжения, была неизвестна природа магнетизма. К этому добавлялись трудности технического характера. Чтобы ныне обнаружить ЭДС индукции, используют многовитковую катушку. В то время только что узнали о том, что магнетизм тока усилится, если провод скрутить в спираль, но еще не имели способа изолировать провод. Индукционные токи на уроках физики регистрируются ныне гальванометром с чувствительностью 10 -5 А/дел, а тогда ток измерялся по отклонению магнитной стрелки. Чтобы стрелка заметно отклонилась, надо было пропускать по проводнику большой ток, а индукционные токи слабые. К тому же стрелка–индикатор не должна испытывать влияния магнита, которым возбуждается ток. Для этого катушку удаляли от индикатора подчас в другое помещение. Вдвинув магнит в катушку, надо было идти смотреть на стрелку–индикатор, которая, естественно к этому времени уже приходила в состояние покоя. Отсутствие эффекта связывали со слабостью магнита. Так что 11 лет поисков для того времени – срок вполне объяснимый.
Строго говоря, явление электромагнитной индукции обнаружил раньше Фарадея Джозеф Генри, американский физик, который одним из первых начал изолировать не магнит от голого провода, а сам провод, обматывая его полосками шелка. Но Генри не сообщил о своем открытии, увлекшись опытами по созданию электромагнитов, и к тому же у него была и другая причина – его высокая требовательность: “хотелось свести полученные результаты в какую-то систему”.
Фарадей же идет не на ощупь, он сознательно ищет эффект, подсказанный ему его общими взглядами на мир. Он варьирует ЭДС батареи, магниты, габариты и формы проводников, число витков в катушке. Очень общая первоначально идея постепенно конкретизируется. Уже в 1825 г. он высказывает мысль: если ток действует на магнит, то и сам ток должен испытывать противодействие со стороны магнита, но изменения тока в катушке при введении в нее магнита не обнаружилось (слабой была, конечно, возникшая в этом опыте ЭДС индукции),
Тогда Фарадей выдвигает другую мысль. Ток есть движение электрической жидкости, которая, перемещаясь по виткам соленоида, вызывает, по гипотезе Ампера, круговые токи в железном сердечнике, обусловливая его намагничивание. Тогда движущаяся жидкость в одном проводнике должна заставить двигаться электрическую жидкость в расположенном рядом проводнике, т.е. вызвать индукционный ток. Опыт с прямыми проводниками неудачен.
Фарадей узнает об открытом Генри усилении магнетизма при использовании многослойной обмотки и берет уже не прямые проводники, а катушки.
29 августа 1831 г. при замыкании цепи тока в одной из катушек стрелка гальванометра, включенного в цепь другой катушки, отклонилась, а затем вновь вернулась в исходное положение, хотя по первой катушке ток продолжал идти. Фарадей размыкает цепь первой катушки и опять наблюдает отклонение стрелки. Долгожданный эффект получился, но он кратковременный и связан не с прохождением тока, а с его изменением. Опыты продолжаются и в следующие дни. А может быть, чтобы возбудить длительный ток в катушке за счет тока в другой, рядом расположенной катушке, надо сблизить эти катушки? Фарадей перемещает их относительно друг друга и обнаруживает, что ток возникает, если катушки движутся. Около месяца идут дальнейшие поиски условий возникновения тока. А 24 сентября Фарадей возбуждает ток в катушке, манипулируя постоянным магнитом. 17 октября подобные опыты приводят к выводу: “Электрическая волна (ток) возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое”. 28 октября Фарадей получает индукционный ток, снимаемый с оси и обода медного диска, вращаемого между полюсами подковообразного магнита. Эта установка представляет собой первый генератор электрического тока.