Історія фізики

Чим більш розвинутим стає людське суспільство, тим більше його потреба в енергії.

Найважливішим кроком у розвитку енергетики стало відкриття і широке застосування електрики. Протягом декількох століть поступово відкривалися електричні явища. До них можна віднести електризацію тіл при терті (початок 17 століття); електричні заряди, їх взаємодія (18 століття); явища атмосферної електрики (друга половина 18 століття); хімічні джерела електрики, електричний струм (кінець 18 століття); встановлення взаємозв'язку між електричними і магнітними явищами; електромагнітна індукція; електромагнітна природа світла, елементарний електричний заряд- електрон (19 століття).

В даний час перелік відомих і розроблюваних джерел електричної енергії дуже широкий. У нього входять всі види ТЕС, ГЕС, МГД - електростанції і такі перетворювачі енергії, як сонячні елементи, термоелементи, паливні елементи і багато інших. Розробкою подібних джерел енергії займається наука електродинаміка.

На початку вивчення класичної електродинаміки ми отримали завдання, з'ясувати, з яким відкриттям можна зв'язати народження цієї науки. Автори різних книг по історії фізики ведуть відлік від різних подій. Одні вважають головним відкриттям Майкла Фарадея, інші - досліди Ампера. Не раз ми читали про відкриття Ерстеда, як про найважливіший в області електромагнетизму. З досвіду Ерстеда починається вивчення електромагнітних явищ в шкільному підручнику. З цієї причини ми і зайнялися його уважним вивченням.

Академік Аркадій Бенедиктович Мигдал називає експериментальні факти золотим фондом фізичної науки. Експеримент датського вченого - важлива частина цього фонду.

Демонстрація його в кабінеті фізики з сучасними приладами дуже наочна і проста. Спостереження за допомогою кодоскопа проводиться в проекції на екран. Фізична суть того, що відбувається полягає в тому, що при пропущенні струму по провіднику магнітна стрілка встановлюється перпендикулярно йому. З досвіду випливає, що навколо провідника зі струмом є магнітне поле. Звідси висновок: електрику і магнетизм пов'язані між собою.

Відомо, що повідомлення Ерстеда про це в 1820 році викликало сенсацію. Нові відкриття з'явилися одна за одною. В цьому ж році Араго винайшов електромагніт, Ампер виявив взаємодія паралельних струмів, Фарадей в 1821 році побудував перший електромотор.

Зрозуміло, чому з відкриттям Ерстеда часто пов'язують народження електродинаміки. Але і воно сталося не на порожньому місці. Чим більше ми вникали в суть самого явища, тим більше виникало запитань. Ось основні з них:

1. За яких умов було зроблено відкриття?

2. З якими труднощами зіткнувся учений?

3. Хто він - один із творців електродинаміки? Яким він був людиною?

4. Відкриття Ерстеда - випадок чи закономірність?

У професора фізики Ханса Крістіана Ерстеда, який читав лекції студентам в 1820 році, в якості джерела струму був вольтаіческій апарат (гальванічний елемент), винайдений Вольта більше 20 років тому, циліндричний стовпчик з пар мідного і цинкового пластинок, розділених вологими кружками тканини.

Щоб краще уявити ті умови, при яких працював Ерстед, ми спробували зробити батарею гальванічних елементів по керівництву Василя Петрова, який, як відомо, зібрав її з 2100 пар пластин. Одна з платівок - цинкова. Друга в парі пластина з чистої міді. Між парами вставляли шкіру, просочену розчином сірчаної кислоти або оцту. Різниця потенціалів між крайніми пластинками досягала 10В, а струм до 200 мА. Історія створення Вольтова стовпа - тема для окремої розмови. Знайомство з нею поряд з вивченням історії відкриття Ерстеда нам також допомогло розібратися в поставлених питаннях.

Цікаво те, що перші досліди професора А. Вольта дуже прості. Він брав дві монети з різних металів і одну з них клав на мову, а іншу - під нього; при з'єднанні їх дротом відчувався кислий смак, такий же, як при «куштування на мову» проводів від відомих в той час джерел електрики. Якщо Гальвані вважав, що тканини організму жаби, яку він препарував, торкаючись їх різнорідними металами, є джерелом електрики, то Вольта переконався в тому, що ці тканини - індикатор електрики, що виникає при контакті різнорідних металів. Так була відкрита контактна різниця потенціалів.

У книзі «Як народжуються фізичні теорії» академік Мигдал розшифровує ланцюг наукового пізнання, представляючи її шістьма ланками. Ми спробували виділити ці ланки в ході експериментальної роботи і теоретичних висновків Ерстеда.

1. Постановка наукового експерименту, що має повторювані результати. Досвід на лекції 15 лютого 1820 року.

2. Припущення, гіпотези.

Припущення Ерстеда про невірність уявлень про відсутність зв'язку між електрикою і магнетизмом.

3. Новий експеримент. Уточнення.

Дослідження до липня 1820 року.

4. Інтуїція, осяяння - висновок Ерстеда про існування «вихору» навколо дроту, який і викликає поворот стрілки. Ерстед був близький до ідеї поля.

5. Стрибок, нова теорія, знову досвід.

До цієї ланки, очевидно, слід віднести, породжені відкриттям Ерстеда, відкриття Ампера, Фарадея та інших творців електродинаміки.

Вольтів стовп займав уяву вчених. Вони змагалися один з одним, виготовляючи батареї все більших розмірів і кращої якості, розплавляючи шматки металу і винаходячи різні методи електричної сигналізації. Думка про зв'язок між магнетизмом і електрикою витала в повітрі і приходила в голову не одному Ерстед.

Видається дивним, що відкриття цієї зв'язку змусило себе чекати 20 років. Ми бачимо, що зв'язок ця дуже проста. Тим більше що її шукали, і всі засоби вже були під рукою. «У порівнянні з відкриттям Гальвані відкриття зв'язку з цим було дитячою забавкою». (5) Англійський фізик Липсон пояснює довге очікування відкриття тим, що вчені того часу занадто захопилися новою іграшкою, яку придумав для них Вольта.

У деяких книгах пишуть, що відкриття Ерстеда сталося випадково. Так само випадково, як відкриття магнітного каменя в 5 столітті до нашої ери, як відкриття «тваринного електрики» Гальвані. Під час лекційної демонстрації Ерстед зауважив, що стрілка компаса ухиляється від свого напряму. І тільки після лекції, повторивши свої дії, він виявив, що «винен» в цьому провідник, підключений до вольтаіческому апарату.

Ми спробували відтворити установку по малюнку з трактату Ерстеда. Його робота називається «Досліди, які стосуються дії електричного конфлікту на магнітну стрілку». Ми намагалися дотримуватися плану спостережень, описаного в ній. Відстань від стрілки до проводу витримали ¾ дюйма (близько 19 мм), як зазначено в трактаті. Наше спостереження збіглося з авторським: стрілка відхилялася на 45 °. І так само як у Ерстеда при збільшенні відстані кут зменшувався. Переконалися, що потужність апарату впливає на кут відхилення. Так само, як Ерстед, переміщали дріт на схід або на захід, залишаючи її паралельно стрілці, і спостерігали той же ефект. Ми міняли полярність джерела живлення і переконалися, що напрямок стрілки змінюється на протилежне. Ми порівнювали поведінку 2-х стрілок - під провідником і над провідником, стрілки повертаються в різні боки. Ми ставили дріт перпендикулярно меридіану і не спостерігали повороту стрілки, як і автор досвіду. Між дротом і стрілкою поміщали папір, метал, скло і переконувалися, що перешкодою явищу це не було.

Розбираючись у всіх тонкощах досвіду Ерстеда, ми відзначили, що вчений, який, напевно, відчував радість від успіху, все-таки працював неспішно. Він не публікував своє відкриття до тих пір, поки не досліджував його всебічно. Потрібен був час і терпіння. Це ми відчули на собі, поки виконували досліди самі. Очевидно, що крім об'єктивних умов, необхідних для здійснення експерименту, потрібні були допитливість, терпіння, відповідальність. Це, напевно, і є якості професіонала, якими володів Ерстед. Професором фізики він став в 1806 році. До цього він навчався фармацевтиці і був ад'юнктом на медичному факультеті.

Відомо, крім того, що до Ерстеда ще 1802 року італійський фізик Джованні Романьозі помітив дивну поведінку стрілки поблизу проводу зі струмом, але абсолютно не оцінив значення свого спостереження.

Очевидно, потрібен був для відкриття така людина, як Ерстед, який зумів розібратися в природі явища.

Автор книги «Великі експерименти у фізиці» пише, що для того, щоб відокремити важливе спостереження від незначного, потрібен великий розум.

Звертаючись до книги Ерстеда, ми знаходимо, що струмом вважали конфлікт між позитивним і негативним полюсами джерела. Поле пов'язували з вихором, замкнутість ланцюга не вважалося обов'язковою умовою для створення магнітного поля. Зараз це звучить наївно.

Так що були і об'єктивні труднощі при описі явища взаємодії стрілки й проведення зі струмом в 1820 році. Були і помилки. Вчений вважав, що для ефекту дріт повинна бути розпеченій, що зовсім не обов'язково насправді.

Є і така версія про відкриття, яке відбулося в 1820 році. Ерстед демонстрував студентам теплову дію струму. Один зі студентів звернув увагу під час демонстрації на дивну поведінку стрілки компаса і повідомив про це викладачеві. Так що, якщо відкриття Ерстеда - випадок, то випадок, який випав не випадковому в науці людині. Та й підготовлений він був всім ходом попереднього розвитку науки. Випадково то, в який день зроблено відкриття, але погодитися з тим, що робить його випадкова людина, ми не можемо.

«Серцем дитина і глибокий філософ», - так про Ерстед говорив його співвітчизник Ханс Крістіан Андерсон.

Автор відкриття в області електромагнетизму в 22 роки отримав ступінь доктора філософії. Він багато думав про зв'язок між теплотою, світлом, електрикою і магнетизмом.

Він був ще й літератором. Відомо його есе «Кордони поезії та прози». Він вийшов у світ одночасно з описом його хімічних досліджень властивостей лугів.

Ми спробували період бурхливого початку електродинаміки представити у вигляді гіллястого дерева. Відкриттям Гальвані і Вольта належать міцні гілки першого порядку (кожне з відкриттів дало свої плоди). Відкриття Ерстеда ми зв'язали з центральним провідником, так як вважаємо його дуже важливим для розвитку науки. Гілки другого порядку і наступні займають автори відкриттів XIX століття, які, звичайно, остаточно всю крону не обмежують.

Чи можемо ми з упевненістю сказати, що досвід Ерстеда поклав початок теорії електромагнетизму? Напевно ні. Його не можна виривати з ланцюга всіх інших відкриттів, так як він був ніби продовженням попередніх і початком майбутніх відкриттів.

ДОПОВІДЬ

Учня 10 «А» класу

середньої школи №8

За сприяння Перекатнова Володимира

м Саратов