Что наблюдалось в опыте Ампера?

В 1820 году французский ученый Андре-Мари Ампер провел эксперименты, которые навсегда изменили представления об электричестве и магнетизме. Его опыты впервые продемонстрировали, что электрические токи в проводниках могут не только нагревать их, но и оказывать друг на друга силовое воздействие на расстоянии.

Предпосылки опыта Ампера

В 1820 году датский физик Ханс Эрстед случайно обнаружил, что проводник с током воздействует на магнитную стрелку. Это натолкнуло ученых на мысль о возможной глубинной связи явлений электричества и магнетизма. Однако конкретного объяснения полученным результатам пока не было.

Андре-Мари Ампер решил провести целенаправленные эксперименты по изучению взаимодействия проводников с током. Ему удалось обнаружить и систематизировать целый класс ранее неизвестных электродинамических явлений.

Экспериментальная установка Ампера

В своих опытах Ампер использовал два длинных медных провода, через которые пропускал электрический ток от химических источников. Провода можно было устанавливать параллельно или под разными углами друг к другу.

Для измерения сил взаимодействия проводов использовалась чувствительная крутильная весы. С их помощью можно было определить как величину, так и направление возникающих сил.

Наблюдаемые явления

В ходе экспериментов Ампер обнаружил, что два параллельных провода с током притягиваются , если направления токов в них совпадают, и отталкиваются , если токи направлены в разные стороны. Этот эффект не зависел от знака заряда носителей, а определялся лишь направлением движения частиц, то есть вектором плотности тока.

Ампер также установил, что величина возникающей силы прямо пропорциональна значениям токов в проводниках и обратно пропорционально расстоянию между ними. На основе этих зависимостей он сформулировал количественный закон взаимодействия параллельных токов , названный впоследствии в его честь.

Для объяснения наблюдаемых эффектов Ампер выдвинул революционную по тем временам гипотезу. По его мнению, ток в проводнике порождает вокруг себя особое магнитное поле . Именно через это поле и осуществляется силовое воздействие токов друг на друга и на магниты. Так родилась новая фундаментальная теория электромагнитного поля.

Практическое значение

Открытие Ампера имело огромное практическое значение. Эффекты электродинамического взаимодействия сразу нашли применения в различных областях техники.

• Электродвигатели
• Генераторы электрического тока
• Электромагниты для подъема грузов

Понимание природы силы Ампера позволило конструировать и совершенствовать электротехнические устройства, лежащие в основе современной цивилизации.

Дальнейшие исследования

После публикации результатов опытов Ампера многие ученые стали изучать электродинамические явления и развивать новое направление в физике. Было поставлено множество экспериментов по взаимодействию проводников с током в различных условиях. Наиболее известные работы принадлежат Майклу Фарадею.

В частности, Фарадей открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля. Это также послужило основой для практических применений в электротехнике XIX века.

Так знаменитый опыт Ампера положил начало всей современной электродинамике и электротехнике. Понимание электромагнитных явлений привело к технологической революции в области производства и передачи электроэнергии.

Развитие теории электромагнитного поля

После работ Ампера и Фарадея ученые получили экспериментальные доказательства существования электромагнитного поля, что наблюдалось в опытах. Однако требовалось более стройное теоретическое описание этого фундаментального явления природы.

Важный вклад внес английский физик Майкл Фарадей. Он ввел такие важные понятия как электрический заряд и силовые линии электромагнитного поля. Фарадей наглядно описал действие поля в пространстве и на заряженные частицы.

Математическая теория электромагнетизма

Первые математические уравнения электромагнитного поля создал Джеймс Максвелл в 1860-х годах. Опираясь на результаты опыта Ампера и других экспериментаторов, Максвелл вывел систему дифференциальных уравнений, описывающих эволюцию электрического и магнитного полей во времени и пространстве.

Уравнения Максвелла позволили количественно рассчитывать силы и напряженности полей, а также предсказывать ранее неизвестные электромагнитные эффекты, в частности, существование электромагнитных волн.

Открытие электромагнитных волн

Предсказание Максвелла о существовании переменных электромагнитных полей, способных распространяться в пространстве, вскоре подтвердилось экспериментально. В 1888 году Генрих Герц впервые осуществил генерацию и регистрацию электромагнитных волн в лабораторных условиях.

Так завершилось становление классической теории электромагнетизма, основы которой заложил своим опытом Ампер. Сегодня электромагнитные волны широко используются для передачи информации по радио и в оптическом диапазоне длин волн.

Квантовая теория электромагнитного поля

В начале XX века возникла потребность в пересмотре классических представлений об электромагнетизме с позиций новой квантовой теории. Согласно ей, электромагнитное поле имеет квантованную природу и проявляется в виде отдельных порций – фотонов.

Квантовая теория позволила объяснить ряд оптических и электрических эффектов, не укладывающихся в классические представления об электромагнитном поле, заложенные Ампером и Максвеллом. Современные квантовые теории электромагнитного взаимодействия базируются на уравнениях Дирака и квантовой электродинамике.

Практические приложения теории

Фундаментальные открытия в области электродинамики и электромагнетизма, начатые опытом Ампера, вскоре нашли многочисленные практические применения. Уже в XIX веке были изобретены электродвигатель, электрогенератор, трансформатор и множество других электротехнических устройств.

Они позволили запустить промышленное производство и передачу электроэнергии на большие расстояния. Без этого невозможно было бы представить современную цивилизацию.

Электроника и радиотехника

Вскоре после открытия электромагнитных волн на их основе возникла радиосвязь – принципиально новый метод передачи информации. Изобретение радио стимулировало бурное развитие радиотехники и электроники в XX веке.

Современная микроэлектроника основана на возникновении и управлении электромагнитных полей в интегральных схемах. Так эффекты, впервые описанные Ампером, спустя 200 лет породили цифровую революцию.

Ядерная энергетика

Идеи электромагнетизма используются и в ядерной физике. В частности, для удержания плазмы термоядерного реактора применяется мощное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими электромагнитами.

Таким образом, знания, полученные в опытах Ампера два века назад, сегодня приближают нас к решению глобальной энергетической проблемы – управляемому термоядерному синтезу.

Медицинские применения

В современной медицине также активно используются электромагнитные явления, возникающие в биологических тканях, которые состоят из заряженных молекул и ионов.

Магнитно-резонансная томография, основанная на явлениях ядерного магнитного резонанса, дает трехмерное изображение внутренних органов пациента. Это позволяет с высокой точностью диагностировать широкий круг заболеваний.

Космические исследования

В космических исследованиях важную роль играет анализ электромагнитного излучения небесных тел и космических плазменных процессов. Он позволяет заглянуть в самые удаленные уголки Вселенной.

Искусственные электромагнитные поля используют и для управления движением космических аппаратов с помощью плазменных ракетных двигателей.