«Первые опыты по вопросу, рассматриваемому в настоящем труде, связаны с лекциями об электричестве, гальванизме и магнетизме, читанными мною прошедшей зимой».

В ту зиму 1819—1820 гг. электричеством называли силы, действующие между неподвижными зарядами (закон Кулона). К гальванизму же относились те явления, которые наблюдались при движении зарядов, т. е. при наличии тока, а к магнетизму — явления, связанные с такими загадочными предметами, как магниты и стрелки компасов, находящиеся в магнитном поле Земли. Все три вида явлений считались самостоятельными; хотя многие чувствовали, что между ними должна существовать некая связь, обнаружить ее никому не удавалось. В ту зиму Эрстед занимался тем, что пропускал гальванический ток по проводу, расположенному параллельно небольшой магнитной стрелке, в результате чего он обнаружил (фиг. 299), что:

«В данном случае стрелка изменит свое положение, и полюс, находящийся под той частью соединительной проволоки, которая ближе к отрицательному концу гальванического аппарата¹⁾, отклонится к западу».

Мы видели, что силы, действующие между заряженными частицами, являются чисто ньютоновскими. Кулоновская сила не только подчиняется третьему закону, но и совпадает по форме с гравитационной.

1) Устройство, создающее разность потенциалов с помощью химических реакций, например, батарея.

Если бы на кулоновской силе наука кончалась, то в процессе изучения гравитационных сил можно было бы ограничиться небольшой ссылкой на то, что в некоторых случаях сходные силы действуют и между так называемыми заряженными частицами. Величины этих сил различаются: помимо притяжения возможно отталкивание частиц, но в остальном эти силы неразличимы. Однако наука не кончается на силах Кулона. При дальнейшем изучении электрических сил обнаруживается столько разнообразных и тонких эффектов, что мы вынуждены не только расширять пределы применимости ньютоновской системы, но в конце концов выйти за ее рамки.

Открытие Эрстеда возвестило о начале активных исследований в этой области; в течение последующих десяти лет Ампер и Фарадей разработали теорию магнитных взаимодействий токов. Эрстеду удалось не только установить эффект воздействия движущегося заряда, или тока, на магнитную стрелку, но и обнаружить удивительное свойство этого эффекта: магнитная стрелка устанавливалась перпендикулярно направлению движения тока (фиг. 300). Более того, оказалось, что в плоскости, перпендикулярной проводу, направления стрелки образуют замкнутые окружности. Это можно проиллюстрировать с помощью простенького опыта, которым любят забавляться дети в дождливые дни. Если насыпать на бумагу мелкие металлические стружки (каждая из которых ведет себя, как маленькая магнитная стрелка), они наглядно передадут конфигурацию поля для различных систем токов.

Наиболее удивительная особенность этого открытия, которая отчасти объясняет, почему оно не было сделано ранее, связана с тем, что неподвижный заряд не оказывает никакого воздействия на магнитную стрелку. Чтобы вызвать эффект, который обнаружил Эрстед, необходимо, чтобы заряд пришел в движение. Таким образом, мы впервые встречаемся с силой, которая оказывается зависящей от движения тел, порождающих ее.

Менее чем через год (2 октября 1820 г.) Ампер опубликовал в журнале «Annals of Chemistry and Physics» работу, в которой он установил, что два токонесущих провода взаимодействуют друг с другом. Он обнаружил, что два провода, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются, а два провода, по которым токи текут в противоположные стороны, отталкиваются. Казалось, что эти новые силы существенно отличались от электрических, так как они не зависели от величины не скомпенсированного заряда в проводах. Если имеется очень длинный токонесущий провод и параллельно ему расположен второй провод, как показано на фиг. 301, то первый провод будет притягивать второй, если ток в последнем течет в том же направлении, что и в первом, и будет отталкивать, если направление тока противоположное. Величина силы зависит от расстояния между проводами, от токов в проводах и от длины второго провода; в системе СГС выражение для силы имеет вид:

Здесь I₁ — ток в первом проводе, I₂ — ток во втором проводе, l — длина второго провода и r — расстояние между проводами. Буква с, стоящая в знаменателе (20.9), обозначает постоянную:

Она имеет размерность скорости, и сейчас мы знаем, что ее величина совпадает со скоростью света²⁾.

Чтобы дать представление о величине силы, которая действует между проводами, положим, что длина второго провода 1 см, отстоит ом от первого на расстоянии тоже 1 см, а токи в проводах равны 10 А.

2) Ответ на вопрос: «Почему собственно в знаменателе стоит значение скорости света?» (это не единственное выражение, куда входит скорость света; мы увидим позже, что она появляется во многих уравнениях, описывающих электрические и магнитные явления) будет указан при изучении электромагнитной теория света. Когда впервые было получено это соотношение, в него не входила скорость света. Просто в результате измерений токов в двух проводах и расстояния между ними было найдено, что величина силы удовлетворяет соотношению:

Значение постоянной зависит от используемой системы единиц. В системе СГС (которая, кстати, не использовалась при выводе этого соотношения) ее значение равно примерно:

Значительно позже (как мы увидим) ее отождествили с величиной 2/(скорость света)².

(Для перевода амперов в единицы СГС обратимся к табл. 10: 10 А— с единиц СГС, т. е. с статампер.) Подставляя эти величины в (20.9), получаем:

Сила 2 дин не очень велика (порядка двух, тысячных грамма), однако измерить ее легко. Для сравнения укажем, например, что если в проводе диаметром 0,1 см нескомпенсирован всего лишь один электрон на каждые 10⁶ атомов, то возникает сила 10⁸ дин (порядка 0,1 т) на каждый сантиметр провода.

Мы могли бы ожидать, что ток окажет силовое воздействие на движущийся заряд. Именно так и происходит. Сила, действующая на провод, фактически приложена к движущимся зарядам, создающим ток. Она проявляется как сила, приложенная к проводу. С помощью электронной пушки можно наглядно продемонстрировать силу, с которой провод с током действует на пучок заряженных частиц (электронов) (фиг. 302). Невооруженным глазом видно, что пучок электронов отклоняется под действием силы, вызванной током, текущим по проводу.

Качественные свойства этой силы оказываются сложными и весьма необычными. Рассмотрим провод, по которому течет ток (фиг, 303). Если электрон движется в направлении тока (а), сила отклоняет его от провода; если же он движется против тока (б), сила приближает его в проводе. Если направление движения электрона произвольно относительно провода, действующая сила все равно изменяет это направление; однако в любом случае действующая сила будет перпендикулярна скорости электрона (фиг.304), а ее величина будет прямо пропорциональна этой скорости и обратно пропорциональна расстоянию между проводом и электроном.

Таким образом, мы обнаружили силу, которая зависит не только от положения электрона, но и от его скорости и направления движения. Свойства этой силы гораздо сложнее, чем свойства сил, рассмотренных ранее. Для дальнейшего ее изучения удобно ввести понятие магнитного поля.