Ганс Крістіан Ерстед: випадкове відкриття зв’язку електрики та магнетизму
- Ігор Сальниченко
- 10 серп.
- Читати 11 хв
Біографія та науковий шлях Ерстеда
Ганс Крістіан Ерстед (1777–1851) – датський фізик і хімік, найбільш відомий своїм відкриттям явища, за якого електричний струм у провіднику відхиляє магнітну стрілку[5]. Народився він 14 серпня 1777 року в містечку Рудкьобінг (Данія) в родині аптекаря. Формальної школи в їхньому містечку не було, тож батько подбав про домашню освіту синів: місцевий перукар навчав їх читати й німецької, землемір – математики, студент із Норвегії – літератури, а міський суддя – англійської та французької мов. У 12 років юний Ганс почав практикуватися в батьківській аптеці, де захопився хімією і природничими науками[4]. 1794 року він вступив до Копенгагенського університету, де вивчав фармацію, фізику й філософію та здобув ступінь доктора філософії у 1801 році. Його світогляд формувався під впливом ідей німецького філософа Іммануїла Канта, про якого Ерстед навіть написав дисертацію. Після університету Ерстед подорожував Європою, відвідавши наукові центри Німеччини і Франції, знайомлячись із провідними вченими того часу[3]. Зокрема, у Німеччині він познайомився з фізиком Йоганном Ріттером, від якого дізнався про сміливі ідеї можливого зв’язку між електрикою і магнетизмом – ці ідеї були популярні серед представників натурфілософії доби Романтизму. 1806 року Ерстед став професором Копенгагенського університету, де викладав фізику та хімію і організував сучасні лабораторії[3][4]. У перші роки він займався дослідженнями електричних явищ, акустики та іншими проблемами фізики[5], одночасно здобувши репутацію популярного лектора, на чиї публічні виступи збиралися широкі аудиторії[4].
Окрім фундаментального відкриття в галузі електромагнетизму, Ерстед зробив внесок і в хімію та просвітництво. У 1820 році він відкрив речовину піперин – гострий компонент перцю, а в 1825 році вперше отримав металевий алюміній відновленням його сполук. 1824 року вчений заснував Товариство розповсюдження природничих знань з метою популяризації науки серед широкого загалу. Це товариство влаштовувало публічні лекції, видання та конкурси, а з 1908 року присуджує медаль Ерстеда за видатні наукові досягнення. Як визнання заслуг самого Ерстеда, його ім’ям у 1930-х роках було названо одиницю напруженості магнітного поля в сантиметрово-грам-секундній системі (1 ерстед)[5]. Ганс Крістіан Ерстед помер 9 березня 1851 року, залишивши по собі спадщину як вченого-експериментатора, популяризатора науки і натхненника наступного покоління дослідників.
Історичний контекст: електрика і магнетизм до відкриття Ерстеда
На початку XIX століття електрика і магнетизм розвивалися як окремі галузі знання. Вчені вже спостерігали чимало електричних і магнітних явищ, проте більшість вважала їх принципово різними за природою силами[3]. Магнетизм був відомий головно по властивостях постійних магнітів та природних магнітних руд (магнітного залізняку), а також по земному магнітному полю, яке використовували для навігації за допомогою компаса. Електричні ж явища асоціювалися з атмосферною електрикою (блискавками) та ефектами тертя (статична електрика). Наприкінці XVIII століття накопичилися знання про електричні заряди і струми: Шарль Кулон кількісно виміряв силу взаємодії електричних зарядів і магнітів, Алессандро Вольта 1800 року винайшов гальванічний елемент (батарею), що дозволило отримувати стійкий електричний струм. Проте єдиної теорії, що поєднувала б електрику і магнетизм, не існувало. Панували уявлення про електрику як про «електричну рідину» чи флюїд, а магнетизм пояснювався окремо через магнітні полюси. До початку 1820-х років багато визначних науковців (особливо у Франції) скептично ставилися до ідеї єдності цих явищ і зосереджувалися на точних вимірах кожного з них окремо.
Водночас зберігалися поодинокі спостереження і здогади, що натякали на зв’язок між електричними та магнітними явищами. Наприклад, було відомо, що удар блискавки міг намагнітити залізні предмети або перевернути магнітну стрілку компаса[3]. Деякі експериментатори (Гальвані, Рітер та інші) припускали існування єдиного «електромагнітного флюїду» чи спільного начала, яке об’єднує сили природи. Зокрема, Йоганн Рітер ще в 1802 році висловлював думку, що електрика і магнетизм можуть бути взаємопов’язані, хоча прямих доказів тоді не було. Ці ідеї знаходили відгук у колах романтично налаштованих натурфілософів Німеччини, які вірили в єдність сил природи. Проте без експериментального підтвердження такі гіпотези лишалися спекулятивними і не сприймалися більшістю наукової спільноти. На цьому тлі дослідники продовжували шукати зв’язки: проводилися експерименти з пропусканням струму через дроти поруч із магнітами, але тривалий час вони не давали переконливого результату, поки нарешті випадок не посміхнувся Ерстеду навесні 1820 року.
Експеримент 1820 року: магнітна стрілка і електричний струм
Навесні 1820 року, під час чергового навчального показу для студентів, професор Ерстед здійснив дослід, що увійшов до історії науки. 21 квітня 1820 року в Копенгагенському університеті він демонстрував на лекції кілька дослідів, серед яких було нагрівання провідника електричним струмом від гальванічного елемента (батареї)[6]. На столі поруч із протягнутим дротом випадково лежав компас – звичний атрибут демонстрацій з магнетизму. Коли Ерстед замкнув електричне коло і струм побіг по дроту, стрілка компаса раптово відхилилася від положення північ–південь. Хоч відхилення було незначним (настільки малим, що присутні студенти спершу його не помітили), Ерстед відразу усвідомив важливість цього явища[3]. Після того, як струм був вимкнений, стрілка повернулася назад на північ. Вчений утримав емоції та не перервав хід лекції, але приховано був вражений: він вперше на власні очі побачив дію електричного струму на магнітну стрілку[6].
Після лекції Ерстед почав ретельно повторювати і вивчати цей феномен. Протягом наступних кількох місяців він провів серію експериментів, переконуючись, що ефект реальний і відтворюваний. Він змінював матеріал провідників, силу струму, положення компаса відносно дроту – і щоразу спостерігав відхилення стрілки, щойно по провіднику протікав струм[3]. Вчений встановив, що найбільш помітно стрілка компаса відхиляється, коли провідник розташований паралельно їй і над нею або під нею. При цьому кінці стрілки відхиляються перпендикулярно до напрямку струму – тобто струм якимось чином змушує стрілку ставати впоперек дроту[5]. Якщо змінити напрямок струму на протилежний, стрілка відхиляється в протилежний бік. Ці спостереження вказували, що навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, лінії якого охоплюють провідник по колу. Хоча Ерстед і не мав сучасної термінології, фактично він відкрив магнітне поле струму. У своїх записах він називав це явище «електричним конфліктом» (мабуть, маючи на увазі взаємодію електрики з магнетизмом). Він також зауважив, що екранування провідника дерев’яними чи скляними перегородками не усуває ефект – на відміну від світла або тепла, нововідкрита дія струму проходила крізь більшість матеріалів[3].
У липні 1820 року Ганс Ерстед опублікував результати своїх дослідів у вигляді короткого латинського трактату «Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam» («Досліди щодо дії електричного конфлікту на магнітну стрілку»). Ця праця обсягом лише кілька сторінок була видана латинською мовою і приватно розіслана провідним європейським науковцям і товариствам. У ній лаконічно описувалися основні спостереження: електричний струм змушує магнітну стрілку відхилятися перпендикулярно дроту, ефект проявляється як при розташуванні провідника над стрілкою, так і під нею, і змінює напрям на протилежний при зміні полярності струму[2]. Ерстед утримався від сміливих теоретичних інтерпретацій і не запропонував глибокого пояснення явищу – по суті, він лише зафіксував новий факт, який сам назвав «видатним впливом електрики на магнетизм». Попри стислий характер публікації, відкриття мало ефект вибуху в науковому світі: вперше було експериментально доведено взаємозв’язок електричних і магнітних явищ[2][3]. Відтоді почалася нова ера у фізиці – ера електромагнетизму.
Випадковість відкриття та його інтерпретація
Відкриття Ерстеда часто описують як випадкове. Дійсно, історична легенда стверджує, що під час тієї знаменної лекції у квітні 1820 року Ерстед не планував демонструвати зв’язок між струмом і магнетизмом – мовляв, компас опинився поруч із провідником випадково, і лише завдяки щасливому збігу обставин стрілка хитнулася, привернувши увагу вченого[6][3]. За однією з розповідей, один зі студентів першим зауважив ледь помітне відхилення стрілки і вказав на це професору[2]. Проте сам Ганс Ерстед у пізніших працях заперечував, що його відкриття було цілковитою несподіванкою. Він стверджував, що ще до досліду висловив перед аудиторією припущення про можливий результат, тож не можна говорити про сліпий випадок[2]. Сучасні історики науки дотримуються думки, що в цій історії поєдналися і підготовленість дослідника, і елемент везіння[3]. Ерстед був інтелектуально готовий до ідеї єдності сил природи – пам’ятаємо, що він цікавився філософськими концепціями та знав гіпотези Ріттера. Тому, маючи на столі і працюючий гальванічний елемент, і магнітну стрілку, він не пропустив ледь помітний ефект. З іншого боку, успіх експерименту залежав від ряду випадкових факторів: сили струму батареї, чутливості компаса, правильного розташування дроту тощо[8]. Достатньо було б трохи слабшого струму або більш грубої стрілки – і ефект міг би лишитися непоміченим. Таким чином, відкриття електромагнетизму справді поєднало в собі елемент шансy і наукову інтуїцію. Цей випадок надалі став класичним прикладом ролі випадковості в науці, що підкреслює готовність розуму дослідника помітити несподіване і зробити з цього великі висновки[8].
Ерстед, незважаючи на обережність у формулюваннях, швидко усвідомив глобальне значення свого відкриття. Він писав, що електричний струм породжує «конфлікт, що поширюється навколо провідника», і цей «конфлікт» діє на магніти. Фактично, вчений відкрив фізичне поле нового типу – магнітне поле навколо провідника зі струмом. Хоч він не подав точного математичного опису, його дослід стимулював інших учених до негайної перевірки та кількісного дослідження явища.
Реакція наукової спільноти: Ампер і зародження електродинаміки
Новина про відкриття Ерстеда блискавично облетіла наукові центри Європи. Вже у вересні 1820 року на засіданні Паризької Академії наук про досліди Ерстеда доповів фізик Домінік Араго, а Андре-Марі Ампер буквально за кілька днів потому почав свої знамениті експерименти у відповідь на виклик данського колеги. Ампер, видатний французький фізик, із захопленням сприйняв ідею, що електричний струм породжує магнітне поле, і негайно взявся її розвивати. Вже 18 вересня 1820 року (менш ніж через місяць після публікації Ерстеда) Ампер виступив у Академії зі своїми першими відкриттями. Він показав, що два провідники зі струмом взаємодіють між собою подібно до магнітів: паралельні дроти, по яких течуть струми в одному напрямку, притягуються один до одного, а при протилежних напрямках струмів – відштовхуються. Провівши серію блискучих дослідів, Ампер встановив закон цієї взаємодії: сила притягання чи відштовхування двох довгих паралельних провідників прямо пропорційна добутку струмів в них і обернено пропорційна відстані між ними[6]. (Це фундаментальний закон електродинаміки Ампера; в сучасних позначеннях сила на одиницю довжини двох нескінченно довгих провідників із струмами I₁ і I₂ на відстані r визначається як F/L ≈ μ₀ (I₁ I₂) / (2 π r) Ампер фактично заклав основи нової науки – електродинаміки, науки про взаємодію електричних струмів[7]. Він вперше ввів поняття електричного струму як самостійної фізичної величини, що характеризується напрямком і інтенсивністю (силою)[1]. Розвиваючи свої ідеї, Ампер висунув сміливу гіпотезу, що усі магнітні явища зводяться до замкнутих електричних струмів: тобто в постійних магнітах (скажімо, у шматку заліза) існують мікроскопічні кругові струми, які й створюють магнітне поле[6]. Ця ідея випередила свій час – по суті, Ампер передбачив електронні струми в атомах, які й справді відповідають за магнетизм речовини (хоч сучасна квантова теорія описує це дещо складніше). За кілька років Ампер узагальнив результати в суворій математичній формі і опублікував класичну працю, де ввів термін «електродинаміка».
На честь великого вченого пізніше було названо одиницю вимірювання сили струму – ампер (A), що закріплено міжнародною електротехнічною комісією в 1881 році[7].
Внесок зробили й інші науковці. Французькі фізики Жан- Батіст Біо і Фелікс Савар у 1820–1821 роках експериментально дослідили розподіл магнітного поля навколо прямого провідника зі струмом і вивели формулу, яка кількісно пов’язує магнітну індукцію B з струмом I та відстанню r до дроту. В системі СІ вона має вигляд: B = μ₀ I / (2 π r) – магнітна стала (пізніше це співвідношення випливає з закону Ампера та принципу суперпозиції полів). Цей закон, відомий нині як закон Біо–Савара, став одним із перших кількісних описів нового явища. Сам Ерстед не займався подальшою математичною розробкою відкритого ефекту, але продовжував експерименти з різних аспектів фізики.
Він із радістю спостерігав, як його відкриття надихає ціле покоління вчених. 1831 року англієць Майкл Фарадей здійснив «обернений» дослід – відкрив явище електромагнітної індукції, показавши, що змінне магнітне поле може породжувати електричний струм[3]. Таким чином, за одне десятиліття після досліду Ерстеда було знайдено двосторонній зв’язок між електрикою і магнетизмом: струм створює магнітне поле, і змінне магнітне поле індукує струм. Ці відкриття заклали підґрунтя для об’єднання двох раніше розрізнених галузей фізики в єдину теорію електромагнетизму. Кульмінацією цього процесу стала праця шотландського фізика Джеймса Клерка Максвелла, який у 1860-х роках сформулював систему рівнянь електромагнітного поля, тим самим остаточно об’єднавши електрику, магнетизм і оптику в єдину теорію[3][6]. З відкриття Ерстеда фактично почалася наукова революція в розумінні фізичних сил, наслідки якої відчутні й донині.
Сучасне значення відкриття: електромагнетизм навколо нас
Відкриття Ерстеда про зв’язок електричного струму і магнітного поля не лише мало величезне теоретичне значення, але й стало основою для безлічі сучасних технологій. З нього почався бурхливий розвиток прикладної електротехніки у XIX столітті[7]. Вже 1821 року Майкл Фарадей, спираючись на ідеї Ерстеда й Ампера, змайстрував перший пристрій, де електричний струм змушував магніт рухатися по колу – по суті, це був прототип електродвигуна (явище електромагнітного обертання). Надалі принцип дії електродвигуна було вдосконалено: коли провідник зі струмом розміщується в магнітному полі, на нього діє сила (згідно з правилом лівої руки), що змушує провідник рухатися. Так працюють електродвигуни, які сьогодні приводять у рух безліч механізмів – від побутових приладів до промислових верстатів і електромобілів. Зворотне явище – індукція струму за рахунок руху провідника в магнітному полі – лежить в основі генераторів електроенергії. Таким чином, сучасна енергетика значною мірою побудована на принципах, відкритих Ерстедом та його послідовниками: генератори електростанцій перетворюють механічну енергію в електричну за допомогою магнітних полів, а двигуни – навпаки, електричну в механічну.
Ще одним прямим застосуванням електромагнетизму є трансформатори – пристрої для передавання електроенергії на великі відстані. Вони працюють завдяки закону Фарадея: змінний струм в обмотці створює змінне магнітне поле, яке індукує струм в іншій обмотці. Без цього принципу неможливо було б ефективно передавати електроенергію від електростанцій до споживачів. Таким чином, відкриття єдності електрики й магнетизму прямо веде до сучасної системи електропостачання.
Не менш вражаюче те, що електромагнітні явища лежать в основі самої природи. Магнітне поле Землі – те саме, завдяки якому працюють компаси, – має електродинамічне походження. Глибинні процеси у рідкому ядрі нашої планети генерують електричні струми, а ті створюють глобальне магнітне поле (механізм так званого геодинамо). Гарячі провідні струмені розплавленого заліза в зовнішньому ядрі, рухаючись і взаємодіючи через обертання Землі, працюють як гігантський природний електричний генератор. В результаті Земля має магнітне поле, приблизно подібне до поля гігантського стрижневого магніту, вісь якого проходить поблизу полюсів планети. Це поле захищає нас від космічних променів та сонячного вітру, відхиляючи заряджені частинки[9]. Походження земного магнетизму довгий час залишалося загадкою, аж поки розвиток електромагнетизму не підказав відповідь: електричні струми породжують магнетизм, тож і планетарне магнітне поле – наслідок циркуляції електричних зарядів у надрах Землі[9].
Наш сучасний світ пронизаний електромагнітними технологіями. Усі пристрої, що працюють на електриці і мають рухомі частини, містять електромотори або електромагнітні клапани. Передача інформації на відстань – від радіозв’язку до інтернету – стала можливою після відкриття Максвеллом електромагнітних хвиль, які поширюються зі швидкістю світла. Медичні прилади на зразок МРТ (магнітно-резонансних томографів) використовують сильні магнітні поля і радіохвилі для отримання зображень внутрішніх органів. Усі ці досягнення виростають з кореня, що бере початок у 1820 році, коли допитливий професор Ерстед помітив тремтіння компасної стрілки біля проводу зі струмом. Випадковий на перший погляд феномен став відправною точкою для об’єднання електрики та магнетизму в єдину науку і для технологічного прогресу, який продовжується дотепер. В історії науки ім’я Ганса Крістіана Ерстеда назавжди пов’язане з народженням електромагнетизму – ключової складової сучасної фізики і техніки.
Список використаних джерел:
Blondel C. The key role of Oersted’s and Ampère’s 1820 electromagnetic experiments in the construction of the concept of electric current // American Journal of Physics. – 2017. – 85(5). – P. 369–374. – DOI: 10.1119/1.4973423academia.edu.
Ørsted H.C. Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam // Annals of Philosophy. – 1820. – 16. – P. 273–277ru.wikipedia.org.
American Physical Society. July 1820: Oersted & Electromagnetism – APS News (This Month in Physics History) // aps.org, 2008aps.org
Niels Bohr Institute, Univ. of Copenhagen. H.C. Ørsted – a genius from the province // nbi.ku.dk, 28.05.2010nbi.ku.dk
Britannica, Encyclopædia. Hans Christian Ørsted – Britannica Online Encyclopedia // britannica.com, latest revision 2023britannica.com
NASA Goddard Space Flight Center. Oersted and Ampère link Electricity and Magnetism // Earth Magnetism(archived educational page), NASA, 1998pwg.gsfc.nasa.gov
IEEE History Center. Milestone – Birth of Electrodynamics, 1820-1827 (Ampere’s discovery) // IEEE Milestones, 2021ieeemilestones.ethw.org
Kipnis N. Chance in Science: The Discovery of Electromagnetism by H.C. Ørsted // Science & Education. – 2005. – 14(1–2). – P. 1–28link.springer.com.
9. Earth’s magnetic field // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field
Коментарі