Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ Drugie, że siły są proporcjonalne do natężeń prądów. Ale same natężenia były definiowane przez wartości sił:

      Wyjaśnię teraz, jak z tych przypadków równowagi rygorystycznie wywnioskować wzór, za pomocą którego przedstawiam wzajemne oddziaływanie dwóch elementów prądu galwanicznego, pokazując, że jest to jedyna siła, która, działając wzdłuż linii prostej łączącej ich punkty środkowe, może zgadzać się z faktami eksperymentalnymi. Przede wszystkim jest oczywiste, że wzajemne oddziaływanie dwóch elementów prądu elektrycznego jest proporcjonalne do ich długości; ponieważ przy założeniu, że podzielono je na nieskończenie małe równe części wzdłuż ich długości, wszystkie przyciągania i odpychania tych części można uznać za skierowane wzdłuż tej samej linii prostej, tak że koniecznie się one sumują. To działanie musi być również proporcjonalne do natężeń obu prądów. Aby wyrazić natężenie prądu liczbowo, załóżmy, że do porównania wybrano inny arbitralny prąd, że z każdego prądu pobrano dwa równe elementy i że wyznacza się stosunek działań, które wywierają one z tej samej odległości na podobny element jakiegoś innego prądu do nich równoległego […]. Ten stosunek będzie miarą natężenia jednego prądu, jeśli drugi przyjmiemy za jednostkę (Ampère 1826).

      Ostateczny wzór na przyciągającą bądź odpychającą siłę między elementami dwóch przewodników ds₁ i ds₂, przez które płyną prądy o natężeniach i₁ i i₂, miał postać:

(3.1)

      gdzie α, β, γ – kąty między ds₁ i ds₂ i między ds₁ i ds₂ a łączącym je odcinkiem. Zawarte w tym wzorze twierdzenie o proporcjonalności siły do natężeń prądów miało – o czym świadczą trzy ostatnie zdania cytowanego przed chwilą fragmentu – charakter analityczny. (Na zdefiniowanie natężenia prądu jako stosunku przepływającego ładunku do czasu trzeba było jeszcze poczekać). Natomiast z praw mechaniki, wiedzy towarzyszącej i wyników eksperymentów Ampère wywnioskował, że siły między elementami prądów maleją proporcjonalnie do kwadratu odległości i są zależne od wymienionych przed chwilą kątów (podaną w równaniu (3.1) zależność trzeba było poprawić).

      Tym i innym badaniom towarzyszyły rozliczne spekulacje na temat natury magnetyzmu, elektryczności i prądów elektrycznych. Biot spekulował, że powierzchnia przewodnika pod wpływem prądu zyskuje kołowe własności magnetyczne (a zatem nie prąd elektryczny, ale magnes działa na magnes). Humphry Davy pisał o wirze magnetyzmu wokół drutu, natomiast Ørsted o prądzie elektrycznym jako o serii zaburzeń rozchodzących się w sposób falowy. Ampère spekulował, że prąd elektryczny jest łańcuchem chwilowych polaryzacji dwóch płynów elektrycznych, a następnie, że siły elektrodynamiczne są przekazywane przez prostopadłe do kierunku prądu periodyczne polaryzacje cząstek eteru otaczających przewody. Wszystkie te twory wyobraźni – podobnie jak te wspomniane w komentarzu 1.8 – pozostały prywatnymi własnościami swych twórców i grup ich zwolenników. Natomiast równania – wyprowadzone z praw mechaniki klasycznej, wiedzy towarzyszącej i wyników eksperymentów – określające wartości sił między prądami i biegunami magnesu oraz między elementami prądów weszły do trwałego dorobku nauki.

      Do badań nad oddziaływaniem prądów i magnesów włączył się Michael Faraday. Syn wiejskiego kowala nie odebrał formalnego wykształcenia, ale, zatrudniony przez Davy’ego jako asystent, odbył z nim w latach 1813–1815 podróż po Europie, w trakcie której poznał wielu znakomitych badaczy, przyglądał się ich pracy, a potem samodzielnie powtórzył najważniejsze eksperymenty m.in. z dziedziny elektryczności i magnetyzmu. Już w 1821, modyfikując sugestie Wollastona, uzyskał układ, w którym drut, przez który płynął prąd, wirował wokół magnesu – prototyp przyszłych silników elektrycznych. Prowadził też owocne badania nad elektrolizą i dokonał znaczących odkryć w chemii.

      3.4. Odkrycie indukcji elektromagnetycznej

      Gdy Arago stwierdził, że igła żelazna umieszczona wewnątrz cewki, przez którą płynie prąd, ulega namagnesowaniu, Ampère sprawdził, czy po umieszczeniu magnesu wewnątrz cewki powstaje w niej prąd elektryczny. Nie płynął. Wkrótce potem uczony znalazł się na skraju wielkiego odkrycia, a to w związku z pytaniem, czy magnetyzacja polega na uporządkowaniu prądów istniejących w ciele wcześniej, czy też są one w trakcie magnetyzacji wytwarzane. By znaleźć odpowiedź, badał m.in. układ, w którym miedziany pierścień zawieszony był we wnętrzu cewki, a zarazem w sąsiedztwie magnesu stałego. We wrześniu 1822 zaobserwował ruchy pierścienia raz w jedną, a raz w drugą stronę, zachodzące w chwili włączania bądź wyłączania prądu w cewce. W eksperymencie uczestniczył Auguste de La Rive, który wspomniał o jego wyniku krótko w jednym ze swych artykułów, nie podając przy tym informacji, które z naszego punktu widzenia byłyby niezbędne. Ampère, nie mogąc powiązać zaobserwowanego zjawiska ze swoją teorią i z dręczącymi go pytaniami, nie podjął nad nim dalszych badań. Wspomniał o poczynionej obserwacji na posiedzeniu Akademii Nauk, ale nie wzbudził tym zainteresowania.

      W tym samym roku Arago, w trakcie pomiarów pola magnetycznego Ziemi, zauważył, że drgania igły magnetycznej są szybko wygaszane, jeśli w jej pobliżu znajdują się metale nieulegające magnetyzacji. Dwa lata później ogłosił, że wirująca w pobliżu magnesu miedziana tarcza szybko wytraca prędkość. Charles Babbage i John Herschel stwierdzili eksperymentalnie, że wirujący elektromagnes wprawia znajdującą się nad nim miedzianą tarczę w ruch obrotowy. Poprzestano na izolowanych doniesieniach, nie podjęto nad tą grupą zjawisk systematycznych badań.

      Skoro prąd elektryczny wytwarza zjawiska magnetyczne, to wielu badaczy poszukiwało zjawiska odwrotnego: zamiany magnetyzmu na prąd elektryczny. (Tej zamiany nie poszukiwali Ampère i Arago w trakcie wspomnianych przed chwilą badań). Wypróbowywano najrozmaitsze układy magnesów i przewodników, na próżno. W 1825 Jean Daniel Colladon przeprowadzał eksperyment bardzo podobny do tych, jakie wykonali sześć lat później Faraday i Henry (zob. poniżej), ale by chronić galwanometr przed zakłóceniami, umieścił go w innym pomieszczeniu – co zapewne zdecydowało o niepowodzeniu (zanim uczony przemieścił się, by odnotować jego wskazania, igła galwanometru nieruchomiała w położeniu zerowym).

      Wreszcie w 1829 i 1830 Francesco Zantedeschi doniósł, że prądy elektryczne powstają w obwodach zamkniętych, do których zbliżamy lub od których oddalamy magnesy. Prace te, ogłoszone po włosku, przeszły niezauważone.

      W międzyczasie William Sturgeon zbudował pierwszy elektromagnes. Rozwijając jego konstrukcję, amerykański chemik i fizyk Joseph Henry w 1829 uzyskał elektromagnes unoszący ciężary przekraczające tonę. Nawinąwszy na niego jeszcze jedną cewkę, której końce połączone były z galwanometrem, odkrył, że w chwili włączania prądu w elektromagnesie w cewce powstaje chwilowy prąd elektryczny płynący w kierunku przeciwnym, a gdy prąd w elektromagnesie zostaje wyłączony, w cewce powstaje chwilowy prąd o kierunku zgodnym z kierunkiem prądu właśnie wyłączonego. Odkrył też, w innej serii eksperymentów, zjawisko samoindukcji. Odkrycia te ogłosił w 1832, zaznaczając, że indukowanie prądów zostało kilka miesięcy wcześniej opisane przez Faradaya.

      Faraday СКАЧАТЬ