История физики
Важнейшим шагом в развитии энергетики явилось открытие и широкое применение электричества. На протяжении нескольких веков постепенно открывались электрические явления. К ним можно отнести электризацию тел при трении (начало 17 века); электрические заряды, их взаимодействие(18 век); явления атмосферного электричества (вторая половина 18 века); химические источники электричества, электрический ток (конец 18 века); установление взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями; электромагнитная индукция; электромагнитная природа света, элементарный электрический заряд- электрон (19 век).
В настоящее время перечень известных и разрабатываемых источников электрической энергии очень широк. В него входят все виды ТЭС, ГЭС, МГД – электростанции и такие преобразователи энергии, как солнечные элементы, термоэлементы, топливные элементы и многие другие. Разработкой подобных источников энергии занимается наука электродинамика.
В начале изучения классической электродинамики мы получили задание, выяснить, с каким открытием можно связать рождение этой науки. Авторы разных книг по истории физики ведут отсчет от разных событий. Одни считают главным открытием Майкла Фарадея, другие - опыты Ампера. Не раз мы читали об открытии Эрстеда, как о важнейшем в области электромагнетизма. С опыта Эрстеда начинается изучение электромагнитных явлений в школьном учебнике. По этой причине мы и занялись его внимательным изучением.
Академик Аркадий Бенедиктович Мигдал называет экспериментальные факты золотым фондом физической науки. Эксперимент датского ученого - важная часть этого фонда.
Демонстрация его в кабинете физики с современными приборами очень наглядна и проста. Наблюдение с помощью кодоскопа проводится в проекции на экран. Физическая суть происходящего состоит в том, что при пропускании тока по проводнику магнитная стрелка устанавливается перпендикулярно ему. Из опыта следует, что вокруг проводника с током есть магнитное поле. Отсюда вывод: электричество и магнетизм связаны между собой.
Известно, что сообщение Эрстеда об этом в 1820 году вызвало сенсацию. Новые открытия появились одно за другим. В этом же году Араго изобрел электромагнит, Ампер обнаружил взаимодействие параллельных токов, Фарадей в 1821 году построил первый электромотор.
Понятно, почему с открытием Эрстеда часто связывают рождение электродинамики. Но и оно произошло не на пустом месте. Чем больше мы вникали в суть самого явления, тем больше возникало вопросов. Вот основные из них:
1. При каких условиях было сделано открытие?
2. С какими трудностями столкнулся учёный?
3. Кто он – один из творцов электродинамики? Каким он был человеком?
4. Открытие Эрстеда - случай или закономерность?
У профессора физики Ханса Кристиана Эрстеда, читавшего лекции студентам в 1820 году, в качестве источника тока был вольтаический аппарат (гальванический элемент), изобретенный Вольта более 20 лет назад, цилиндрический столбик из пар медной и цинковой пластинок, разделенных влажными кружками ткани.
Чтобы лучше представить те условия, при которых работал Эрстед, мы попробовали сделать батарею гальванических элементов по руководству Василия Петрова, который, как известно, собрал ее из 2100 пар пластин. Одна из пластинок – цинковая. Вторая в паре пластина из чистой меди. Между парами вставляли кожу, пропитанную раствором серной кислоты или уксуса. Разность потенциалов между крайними пластинками достигала 10В, а ток до 200 мА. История создания Вольтова столба – тема для особого разговора. Знакомство с ней наряду с изучением истории открытия Эрстеда нам также помогло разобраться в поставленных вопросах.
Интересно то, что первые опыты профессора А. Вольта очень просты. Он брал две монеты из разных металлов и одну из них клал на язык, а другую – под него; при соединении их проволокой ощущался кислый вкус, такой же, как при «пробовании на язык» проводов от известных в то время источников электричества. Если Гальвани считал, что ткани организма лягушки, которую он препарировал, касаясь их разнородными металлами, являются источником электричества, то Вольта убедился в том, что эти ткани – индикатор электричества, возникающего при контакте разнородных металлов. Так была открыта контактная разность потенциалов.
В книге «Как рождаются физические теории» академик Мигдал расшифровывает цепь научного познания, представляя ее шестью звеньями. Мы попытались выделить эти звенья в ходе экспериментальной работы и теоретических выводов Эрстеда.
1. Постановка научного эксперимента, имеющего повторяющиеся результаты. Опыт на лекции 15 февраля 1820 года.
2. Предположения, гипотезы.
Предположения Эрстеда о неверности представлений об отсутствии связи между электричеством и магнетизмом.
3. Новый эксперимент. Уточнение.
Исследования до июля 1820 года.
4. Интуиция, озарение – вывод Эрстеда о существовании «вихря» вокруг проволоки, который и вызывает поворот стрелки. Эрстед был близок к идее поля.
5. Скачок, новая теория, снова опыт.
К этому звену, очевидно, следует отнести, порожденные открытием Эрстеда, открытия Ампера, Фарадея и других творцов электродинамики.
Вольтов столб занимал воображение ученых. Они соперничали друг с другом, изготовляя батареи все больших размеров и лучшего качества, расплавляя куски металла и изобретая разные методы электрической сигнализации. Мысль о связи между магнетизмом и электричеством витала в воздухе и приходила в голову не одному Эрстеду.
Представляется странным, что открытие этой связи заставило себя ждать 20 лет. Мы видим, что связь эта очень проста. Тем более что ее искали, и все средства уже были под рукой. «По сравнению с открытием Гальвани открытие этой связи было детской забавой». (5) Английский физик Липсон объясняет долгое ожидание открытия тем, что ученые того времени слишком увлеклись новой игрушкой, которую придумал для них Вольта.
В некоторых книгах пишут, что открытие Эрстеда произошло случайно. Так же случайно, как открытие магнитного камня в 5 веке до нашей эры, как открытие «животного электричества» Гальвани. Во время лекционной демонстрации Эрстед заметил, что стрелка компаса уклоняется от своего направления. И только после лекции, повторив свои действия, он обнаружил, что «виноват» в этом проводник, подключенный к вольтаическому аппарату.
Мы попытались воспроизвести установку по рисунку из трактата Эрстеда. Его работа называется «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Мы старались следовать плану наблюдений, описанному в ней. Расстояние от стрелки до провода выдержали ? дюйма (около 19 мм), как указано в трактате. Наше наблюдение совпало с авторским: стрелка отклонялась на 45?. И так же как у Эрстеда при увеличении расстояния угол уменьшался. Убедились, что мощность аппарата влияет на угол отклонения. Так же, как Эрстед, перемещали проволоку к востоку или к западу, оставляя ее параллельно стрелке, и наблюдали тот же эффект. Мы меняли полярность источника питания и убедились, что направление стрелки меняется на противоположное. Мы сравнивали поведение 2-х стрелок – под проводником и над проводником, стрелки поворачиваются в разные стороны. Мы ставили проволоку перпендикулярно меридиану и не наблюдали поворота стрелки, как и автор опыта. Между проволокой и стрелкой помещали бумагу, металл, стекло и убеждались, что помехой явлению это не было.
Разбираясь во всех тонкостях опыта Эрстеда, мы отметили, что ученый, который, наверное, испытывал радость от успеха, все-таки работал неспешно. Он не публиковал свое открытие до тех пор, пока не исследовал его всесторонне. Нужно было время и терпение. Это мы почувствовали на себе, пока выполняли опыты сами. Очевидно, что кроме объективных условий, необходимых для свершения эксперимента, нужны были любознательность, терпение, ответственность. Это, наверное, и есть качества профессионала, которыми обладал Эрстед. Профессором физики он стал в 1806 году. До этого он обучался фармацевтике и был адъюнктом на медицинском факультете.
Известно, кроме того, что до Эрстеда еще 1802 году итальянский физик Джованни Романьози заметил странное поведение стрелки вблизи провода с током, но совершенно не оценил значения своего наблюдения.
Очевидно, нужен был для открытия такой человек, как Эрстед, сумевший разобраться в природе явления.
Автор книги «Великие эксперименты в физике» пишет, что для того, чтобы отделить важное наблюдение от малозначительного, нужен великий ум.
Обращаясь к книге Эрстеда, мы находим, что током считали конфликт между положительным и отрицательным полюсами источника. Поле связывали с вихрем, замкнутость цепи не считалось обязательным условием для создания магнитного поля. Сейчас это звучит наивно.
Так что были и объективные трудности при описании явления взаимодействия стрелки и провода с током в 1820 году. Были и ошибки. Ученый считал, что для эффекта проволока должна быть раскаленной, что совсем не обязательно на самом деле.
Есть и такая версия об открытии, состоявшемся в 1820 году. Эрстед демонстрировал студентам тепловое действие тока. Один из студентов обратил внимание во время демонстрации на странное поведение стрелки компаса и сообщил об этом преподавателю. Так что, если открытие Эрстеда – случай, то случай, выпавший не случайному в науке человеку. Да и подготовлен он был всем ходом предыдущего развития науки. Случайно то, в какой день сделано открытие, но согласиться с тем, что делает его случайный человек, мы не можем.
«Сердцем ребенок и глубокий философ»,- так об Эрстеде говорил его соотечественник Ханс Кристиан Андерсон.
Автор открытия в области электромагнетизма в 22 года получил степень доктора философии. Он много думал о связи между теплотой, светом, электричеством и магнетизмом.
Он был еще и литератором. Известно его эссе «Границы поэзии и прозы». Оно вышло в свет одновременно с описанием его химических исследований свойств щелочей.
Мы попытались период бурного начала электродинамики представить в виде ветвистого дерева. Открытием Гальвани и Вольта принадлежат крепкие ветви первого порядка (каждое из открытий дало свои плоды). Открытие Эрстеда мы связали с центральным проводником, так как считаем его очень важным для развития науки. Ветви второго порядка и последующие занимают авторы открытий XIX века, которые, конечно, окончательно всю крону не ограничивают.
Можем ли мы с уверенностью сказать, что опыт Эрстеда положил начало теории электромагнетизма? Наверное, нет. Его нельзя вырывать из цепи всех остальных открытий, так как он был как бы продолжением предыдущих и началом будущих открытий.
ДОКЛАД
Ученика 10 «А» класса
средней школы №8
ИШИНА АНАТОЛИЯ
При содействии Перекатнова Владимира
г. Саратов