§ 1. О взаимодействии двух электрических токов
1. Электродвижущее действие проявляется в двоякого рода эффектах, которые я считаю нужным сперва разграничить путем точного определения. Я назову первый из этих эффектов электрическим напряжением, а второй - электрическим током.
Напряжение наблюдается, когда два тела, между которыми возникло движущее действие, отделены одно от другого непроводниками1 по всей своей поверхности, за исключением тех точек, где эта сила возникает. Ток возникает тогда, когда в проводящем контуре создано сообщение между телами, притом в точках, отличных от точек возникновения электродвижущей силы2. В первом случае результатом этого действия является приведение двух тел или двух систем тел, между которыми это действие происходит, в особое состояние напряжения. Разность между этими напряжениями есть величина постоянная, если действие постоянно, например, если она вызвана контактом двух разнородных веществ. Напротив, эта разность была бы переменной, если бы она зависела от временной причины, например от трения или от давления.
Этот первый случай является единственным, который мог бы существовать, когда электродвижущее действие развивается между отдельными частями одного и того же непроводящего тела. Примером служит турмалин при изменении его температуры.
Во втором случае, когда тела соединены проводящим контуром, электрическое напряжение отсутствует, легкие тела заметным образом не притягиваются и обычный электрометр не может j же служить указателем того, что происходит в теле. Однако электродвижущее действие продолжается, так как вода, кислота, щелочь или соляной раствор, если они входят в контур, разлагаются, как это уже давно известно, в особенности при постоянном электродвижущем действии.
Кроме того, когда электродвижущее действие вызвано контактом металлов, то происходит, как это недавно открыл г. Эрстед, отклонение магнитной стрелки, помещенной возле какого-либо участка контура, от ее нормального положения. Однако эти действия исчезают, прекращаются разложение воды и отклонение магнитной стрелки, как только прерывается ток. Тогда напряжения восстанавливаются, а легкие тела вновь притягиваются. Это вполне доказывает, что указанные напряжения не служат причиной ни разложения воды, ни открытых г. Эрстедом изменений положения намагниченной стрелки. Данное явление, очевидно, могло бы существовать самостоятельно, если бы электродвижущая сила возникала между отдельными частями одного и того же проводящего тела. Следствия, выведенные в настоящем труде из опытов г. Эрстеда, заставят нас признать существование этих токов в том единственном пока случае, при котором имеются для этого предположения достаточные основания.
2. Посмотрим теперь, от чего зависит разница между этими двумя рядами совершенно различных явлений: с одной стороны, напряжение и давно известные притяжения и отталкивания, а с другой - разложение воды и многих других веществ, отклонение магнитной стрелки и притяжения и отталкивания особого рода, совершенно отличные от обычных электрических притяжений и отталкиваний,- открытые мною, как я полагаю, впервые. В отличие от обычных, я назвал их притяжениями и отталкиваниями электрических токов. Если нет проводящего соединения между телами или системами тел, между которыми возникает электродвижущее действие, и если сами тела являются проводниками, как в вольтовом столбе, то это действие можно мыслить лишь как вносящее постоянно положительное электричество в одно из тел, а отрицательное - в другое. В первый момент, когда ничто не препятствует проявлению этого действия, оба электричества накапливаются, каждое в соответствующей части системы. Но этот процесс останавливается в тот момент, когда разность электрических напряжений3придает взаимному притяжению обоих электричеств, стремящемуся их соединить, силу, достаточную для уравновешивания электродвижущего действия. Затем все остается в том же положении, если не считать утечки электричества, которая может мало-помалу происходить через непроводящие тела, например через воздух, разделяющий контур, так как, по-видимому, не существует абсолютно изолирующих тел. Поскольку такая утечка происходит, напряжение уменьшается. Но как только напряжение уменьшилось, нарушается равновесие между взаимным притяжением обоих электричеств и электродвижущим действием, и эта последняя сила, если она постоянна, вновь разносит положительное электричество в одну сторону, а отрицательное - в другую, и напряжения восстанавливаются. Такое состояние системы электродвижущих и проводящих тел я называю электрическим напряжением. Как известно, это состояние продолжает существовать в обеих половинах системы после их разделения или при их контакте после прекращения электродвижущего действия, если последнее было вызвано давлением или трением между телами, из коих хотя бы одно не проводник. В обоих этих случаях напряжения постепенно уменьшаются вследствие утечки электричества, о которой мы только что говорили.
Но пусть два тела или две системы тел, между которыми действует электродвижущая сила, соединены друг с другом посредством проводящих тел. Допустим, что между ними нет другой электродвижущей силы, равной и противоположной первой, которая поддерживала бы состояние электрического равновесия, а следовательно, и возникающие при этом напряжения4. В таком случае эти последние исчезают, или, во всяком случае, становятся весьма малыми, и возникают указанные выше, характерные для этого второго случая явления. Но так как в остальном ничего не изменилось в расположении тел, между которыми развивалось электродвижущее действие, то последнее несомненно продолжает существовать. Однако взаимное притяжение обоих электричеств, измеряемое разностью напряжений, ставшей равной нулю или весьма малой, не может более уравновесить электродвижущее действие. Поэтому обычно соглашаются с тем, что в этом случае электродвижущее действие продолжает, как и прежде, переносить оба электричества в тех же направлениях. Так возникает двойной ток, один положительного, а другой отрицательного электричества, вытекающих в противоположных направлениях из точек, где существует электродвижущее действие, и воссоединяющихся в противоположной этим точкам части контура5. Токи, о которых я говорю, продолжают ускоряться до тех пор, пока инерция электрических жидкостей и сопротивление, испытываемое ими вследствие несовершенства даже наилучших проводников, не уравновесят электродвижущую силу. После этого токи продолжаются неопределенно долго с постоянной скоростью, покуда электродвижущая сила сохраняет свою прежнюю интенсивность, но они всегда прекращаются в тот момент, когда контур разрывается. Такое состояние электричества в цепи проводящих электродвижущих тел я буду называть кратко электрическим током6. Так как мне пришлось бы постоянно говорить о двух противоположных направлениях, по которым текут оба электричества, то, во избежание излишних повторений, после слов: направление электрического тока я буду всякий раз подразумевать положительного электричества7. Так, например, в случае вольтова столба выражение направление электрического тока внутри столба будет обозначать направление от конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к концу, на котором выделяется кислород, а выражение направление электрического тока в проводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца, где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород. Чтобы объединить оба эти случая в одном общем определении, можно сказать, что направлением электрического тока называется направление перемещения водорода и оснований солей при разложении током воды или соляных растворов, входящих в контур, независимо от того, составляют ли они в случае вольтова столба часть внешнего проводника или входят в состав пар, из которых состоит этот столб.
Исследования гг. Гей-Люссака и Тенара8 над вольтовым столбом - этим богатым источником великих открытий почти во всех областях физических знаний - показали, что разложение воды, солей и тому подобного ни в какой мере не происходит вследствие разности напряжений на концах столба, а лишь вследствие того, что я называю электрическим током. Это видно из того, что при погружении концов проводников в чистую воду разложение почти равно нулю, но если, ничего не изменив в остальном расположении, прибавить к воде кислоты или соляного раствора, разложение пойдет очень быстро, так как в первом случае чистая вода является плохим проводником, а во втором она хорошо проводит электричество.
Однако совершенно очевидно, что во втором случае электрическое напряжение концов проволок, погруженных в жидкость, не могло увеличиться, оно могло лишь уменьшиться, по мере того как жидкость становится лучшим проводником. Во втором случае в действительности возрастает лишь ток. Единственно ему мы обязаны разложением воды и солей. Легко также показать, что только ток действует на магнитную стрелку в опытах г. Эрстеда. Для этого достаточно поместить стрелку над горизонтальным вольтовым столбом, расположенным приблизительно в плоскости магнитного меридиана. Покуда концы столба разъединены, стрелка сохраняет свое нормальное направление. Если же к одному из концов столба прикрепить металлическую проволоку и коснуться ею другого конца столба, стрелка сразу меняет свое направление и продолжает оставаться в этом новом положении до тех пор, пока длится контакт и столб сохраняет свою энергию. Лишь по мере того, как столб теряет энергию, стрелка постепенно приближается к своему нормальному направлению. Однако при разрыве тока размыканием контакта возврат стрелки происходит мгновенно. Но ведь тот же контакт вызывает прекращение или значительное уменьшение электрических напряжений. Следовательно, не эти напряжения, а единственно лишь ток влияет на направление магнитной стрелки. Когда частью контура является чистая вода и ее разложение едва заметно, магнитная стрел- ка, помещенная над или под каким-либо другим участком этого контура, отклоняется также слабо. Прибавление же к воде азотной кислоты, без внесения других каких-либо изменений в аппаратуру, увеличивает отклонение стрелки, одновременно ускоряя разложение воды.
3. Обычный электрометр показывает, есть ли напряжение и какова его интенсивность. Недоставало прибора, который показывал бы наличие тока в вольтовом столбе или в проводнике, его энергию и направление. Такой прибор теперь существует: достаточно расположить горизонтально, приблизительно в направлении магнитного меридиана, вольтов столб или какой-нибудь участок проводника и поместить над столбом или сверху, или снизу от проводника прибор, схожий с буссолью и отличающийся от нее лишь своим назначением. Пока в контуре имеется разрыв, магнитная стрелка остается в своем нормальном положении, но как только устанавливается ток, стрелка тем сильнее отклоняется от этого положения, чем больше энергия тока. Направление тока можно узнать из следующего: если мысленно расположить себя в направлении тока, идущего от ног к голове наблюдателя, и обратиться лицом к стрелке, то под действием тока всегда будет отклоняться влево от своего нормального направления тот из концов стрелки, который направлен к северу и который я буду называть южным полюсом магнитной стрелки, так как он аналогичен южному полюсу земли9. Короче можно сказать, что южный полюс стрелки отклоняется влево от действующего на нее тока. Я думаю, что этот прибор в отличие от обычного электрометра следует назвать гальванометром и им следует пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принято пользоваться электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждый момент, существует ли ток и какова его энергия. Первое применение, которое я дал этому прибору, было констатирование, что ток, идущий внутри вольтова столба от отрицательного конца к положительному, оказывает то же действие на магнитную стрелку, что и ток в проводнике, текущий, наоборот, от положительного конца к отрицательному.
Для этой цели хорошо иметь две магнитные стрелки: одну на столбе, а другую - над или под проводником. Южный полюс каждой из стрелок отклоняется влево от тока, возле которого стрелка находится. Таким образом, если вторая стрелка расположена над проводником, она отклоняется в другую сторону, чем стрелка, находящаяся на вольтовом столбе, потому что токи в этих двух участках контура имеют противоположные направления. Напротив, обе стрелки отклоняются в одну сторону, оставаясь приблизительно параллельными друг другу10, когда одна стрелка находится над столбом, а другая под проводником. Как только размыкают контур, стрелки в обоих случаях тотчас же возвращаются к своему нормальному положению.
4. Таковы те различия, которые были установлены до меня между действиями электричества в вышеописанных двух его состояниях. Одним из этих состояний является, если не покой, то, по меньшей мере, медленное движение электричества, которое исключительно вследствие трудности вполне изолировать тела, на которых проявляется электрическое напряжение, вызывает двойной ток положительного и отрицательного электричества вдоль непрерывного контура из проводящих тел. Согласно обычной теории, обе жидкости, из которых, как считают, состоит электричество, беспрерывно разделяются в одной части контура и быстро переносятся в противоположных направлениях в другую часть того же контура, где они постоянно воссоединяются. Отвечающий такому определению электрический ток может быть получен и с помощью обычной машины, если она дает электричество обоих знаков и если соединить проводником соответствующие части машины. Однако, не прибегая к машинам очень больших размеров, невозможно получить ток достаточной энергии, какой получается при помощи вольтова столба11. Причина лежит в том, что количество электричества, производимое за данный промежуток времени машиной трения, остается постоянным и не зависит от проводящей способности остального контура, а количество электричества, приводимое в движение за известный промежуток времени вольтовым столбом, неограниченно возрастает, чем лучше проводники, соединяющие концы столба друг с другом.
Но различия, о которых я напоминал выше, не являются единственными отличительными признаками двух состояний электричества. Я открыл еще более замечательные отличия, расположив параллельно прямолинейные участки двух проводящих проволок, соединяющих концы двух вольтовых столбов. Одна из проволок была неподвижной, а другая, подвешенная на остриях и снабженная для увеличения подвижности противовесом, могла приближаться и удаляться от первой, оставаясь ей параллельной. Я наблюдал тогда при одновременном пропускании тока через каждую из проволок, что они притягивались друг к другу, когда оба тока были одинаково направлены, и отталкивались друг от друга, когда направление токов было взаимно противоположным12.
по тому, как они направлены, одинаково или противоположно, являются фактами, полученными из эксперимента, который легко может быть повторен. Чтобы избежать во время этого опыта колебаний подвижного проводника, вызываемых легким движением воздуха, прибор необходимо поместить под стекло, пропустив через подставку участки проводника, ведущие к концам вольтова столба. Наиболее удобным является следующее расположение проводников: один из них закрепляется горизонтально на двух опорах, другой подвешивается при помощи двух металлических проволок, составляющих с ним одно целое, к стеклянной оси, расположенной выше первого проводника и опирающейся очень тонкими стальными остриями на две другие металлические опоры. К остриям припаяны упомянутые выше две металлические проволоки, так что электрическое соединение устанавливается через опоры при помощи этих остриев (рис. 1).
Оба проводника расположены, таким образом, взаимно параллельно, один возле другого и в одной горизонтальной плоскости. Один из них может совершать колебания вокруг горизонтальной линии, проходящей через концы стальных остриев, и в этом своем движении он остается параллельным неподвижному проводнику. Над серединой стеклянной оси установлен противовес, который увеличивает подвижность колеблющейся части прибора, повысив ее центр тяжести.
Сперва я думал, что электрический ток должен быть установлен в каждом из проводников с помощью отдельного вольтова столба, но это не обязательно. Достаточно, если оба проводника являются частями одного и того же контура, так как электрический ток существует в нем повсюду с одинаковой интенсивностью. Из этого наблюдения следует, что в рассматриваемых явлениях не играют никакой роли электрические напряжения концов столба, ибо в остальном контуре напряжение, конечно, отсутствует. Это подтверждается еще и тем, что на большом расстоянии от вольтова столба можно заставить отклоняться магнитную стрелку при помощи очень длинного проводника, середина коего огибает стрелку сверху и снизу в направлении магнитного меридиана. Этот опыт был мне указан знаменитым ученым, которому физико-математические науки особенно обязаны великим прогрессом, достигнутым в наши дни13. Опыт удался полностью.
Обозначим через А и В концы неподвижного проводника, через С - конец подвижного проводника, близкий к А, и через D - конец того же проводника, близкий к В. Если один конец столба соединить с А, затем соединить В с С, a D присоединить к другому концу столба, то ясно, что электрический ток в обоих проводниках будет одного направления, и мы увидим, что проводники притягиваются. Если же, наоборот, В соединить с D, а С - с другим концом столба, токи в обоих проводниках будут взаимно противоположного направления, и проводники будут отталкиваться. Так как притяжения и отталкивания электрических токов происходят во всех точках контура, то понятно, что одним неподвижным проводником можно притягивать и отталкивать сколько угодно Других проводников и изменять направление скольких угодно магнитных стрелок. Я намерен устроить прибор с одним непо движным и двумя подвижными проводниками, так чтобы либо оба проводника одновременно притягивались или отталкивались, либо один притягивался, а другой в то же время отталкивался в зависимости от способа соединения их друг с другом. Ввиду успеха опыта, указанного мне маркизом де-Лапласом, можно было бы, взяв столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, и помещая каждую букву на отдельной стрелке, устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок14. Соединяя поочередно концы столба с концами соответствующих прoводников, можно было бы лицу, которое наблюдало бы за буквами на стрелках, передавать сведения со всеми подробностями и через какие угодно препятствия. Если установить со стороны столба клавиатуру с буквами и производить соединения нажатием клавиш, то этот способ сообщения мог бы применяться достаточно просто и не требовал бы больше времени, чем необходимо для нажатия клавиш на одной стороне и чтения каждой буквы на другой15.
Вместо того, чтобы давать подвижному проводнику перемещаться параллельно неподвижному, можно дать ему возможность лишь вращаться в плоскости, параллельной неподвижному проводнику, вокруг общего перпендикуляра, проходящего через середины обоих проводников. Тогда, как следует из установленного выше закона притяжения и отталкивания электрических токов, будет происходить одновременное притяжение или отталкивание каждой половины обоих проводников в зависимости от того, будут ли токи направлены в одну сторону или взаимно противоположно. Подвижной проводник будет при этом поворачиваться до тех пор, пока он не станет параллельным неподвижному, так что токи в обоих проводниках будут одинаково направлены.) Отсюда вытекает, что при взаимодействии двух электрических токов направляющее действие и притяжение или отталкивание имеют в основе тот же принцип и являются лишь различными проявлениями одного и того же действия; поэтому нет надобно сти устанавливать различие между этими двумя эффектами. Однако такое различие весьма важно, как мы сейчас увидим, если речь идет о взаимодействии между электрическим током и магнитом, который обычно рассматривают относительно его оси, так как в этом последнем случае оба тела стремятся стать перпендикулярно друг к другу.
Перейдем теперь к изучению взаимодействия электрического тока и магнита, а также двух магнитов друг на друга. Мы увидим, что оба эти случая подчиняются закону взаимодействия двух электрических токов, если считать один из этих токов имеющим место в каждой точке линий, проведенных на поверхности магнита, от одного полюса до другого, в плоскостях, перпендикулярных к оси магнита. На основании простого сопоставления фактов мне кажется несомненным, что эти токи вокруг оси магнита реально существуют16, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стали сообщается свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в вольтовом столбе, в окиси цинка минералогов17, в нагретом турмалине и даже в столбике, составленном из влажного картона и дисков одного и того же металла при двух разных температурах. Но в случае магнита эта электродвижущая сила, возникая между отдельными частицами одного и того же хорошо проводящего тела, никогда не может вызвать, как мы отметили выше, никакого электрического напряжения, а лишь постоянный ток электричества, подобный тому, какой возник бы в вольтовом столбе, если его устроить в виде замкнутой кривой, соединив конец с началом. Совершенно очевидно из сказанного раньше, что подобный столбик не мог бы вызвать ни в одной из своих точек ни напряжений, ни обычных электрических притяжений или отталкиваний, ни химических явлений, так как в контур невозможно было бы включить жидкость. Однако ток, который тотчас же возник бы в таком столбе, оказывал бы направляющее, притягивающее или отталкивающее действие как по отношению к другому электрическому току, так и по отношению к магниту, который является, как мы увидим, ни чем иным, как совокупностью электрических токов.
Так, мы приходим к тому неожиданному результату, что магнитные явления вызываются исключительно электричеством и что нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит18. Южный полюс19 - это тот, который находится справа от этих токов, а северный - находится слева от них.
§ 3. О взаимодействии между электрическим проводником и магнитом
Это взаимодействие, открытое г. Эрстедом, привело меня к открытию взаимодействия двух электрических токов друг на друга, действия земного шара на ток и к установлению того, что все те свойства, какие мы обнаруживаем у магнитов, вызываются распределением электричества вдоль замкнутых кривых, перпендикулярных к оси каждого магнита. Это распределение подобно тому, какое имеет место в проводнике электрического тока...
Я начал свое рассуждение, когда хотел найти причины новых явлений, открытых г. Эрстедом, с того, что порядок, в котором были открыты два явления, не имеет никакого значения для вывода аналогий, наблюдаемых в этих явлениях. Мы могли бы предположить, что, прежде чем узнали о способности магнитной стрелки принимать постоянное направление с юга на север, было известно ее свойство быть приводимой электрическим током в положение, перпендикулярное к этому току, таким образом, что южный полюс стрелки относится влево от тока. Лишь затем будто бы открыли ее свойство постоянно поворачивать к северу тот из своих концов, который относился влево от тока. Для того, кто хотел бы дать объяснение постоянному направлению стрелки с юга на север, разве не показалась бы самой простой мысль, которая непосредственно должна у него возникнуть, что в земле существует электрический ток, направленный таким образом, что север находится налево от человека, который, лежа на поверхности и обратившись лицом к стрелке, имел бы этот ток в направлении от ног к голове, т. е. что в земле существует электрический ток с востока на запад, в направлении, перпендикулярном к магнитному меридиану.
...Далее, если электрические токи являются причиной направляющего действия земли, то электрические токи будут также причиной направляющего действия одного магнита на другой. Следовательно, надлежит рассматривать магнит как собрание электрических токов, проходящих в плоскостях, перпендикулярных к его оси, и направленных таким образом, что южный полюс магнита, которым он обращается к северу, находится справа от этих токов... Я воспроизвел это расположение, насколько это было возможно, при помощи электрического тока по согнутому в спираль проводнику; эта спираль была устроена из латунной проволоки и имела на концах два прямолинейных участка из той же проволоки, которые были заключены в стеклянные трубки*, чтобы не сообщаться между собой и чтобы их можно было присоединить к двум концам столба.
В зависимости от направления, в котором пропускают ток через такую спираль, она действительно с силой притягивается или отталкивается полюсом магнита, который подносят к ней таким образом, чтобы направление его оси было перпендикулярно к плоскости спирали. Притяжение или отталкивание зависит от того, направлены ли электрические токи спирали и магнитного полюса одинаково или противоположно. Заменяя магнит второй спиралью, в которой ток направлен так же, как в магните, мы получаем такие же притяжения и отталкивания. Этим путем я открыл, что два электрических тока притягиваются, когда они одинаково направлены, и отталкиваются в обратном случае.
1При простом удалении двух проводящих тел друг от друга разделяющим их непроводником является воздух.
2Сюда входит и тот случай, когда оба тела или системы тел, между которыми возникла электродвижущая сила, полностью присоединены к общему резервуару, являющемуся тогда частью цепи.
3Когда столб изолирован, эта разность равна сумме обоих напряжений - положительного и отрицательного Когда один конец столба соединен с общим резервуаром нулевого напряжения, та же разность равна по абсолютной величине напряжению на другом конце
4Ампер вводит понятие электродвижущей силы буквально как силы, движущей электрические жидкости, но связывает это понятие с понятием напряжения.
5Как и Эрстед, Ампер придерживался теории двух электрических жидкостей, движение которых и образует ток.
6Здесь впервые в истории физики вводится термин «электрический ток».
7Предлагается определение направления электрического тока, принятое и в настоящее время.
8Гей-Люссак Жозеф Луи (1778-1850), Тенар Луи Жак (1777-1857) - выдающиеся французские физики и химики, исследователи электрохимического действия тока.
9Это и есть известное «правило ловца», которому подчиняется взаимодействие тока и магнитной стрелки.
10Для того чтобы этот опыт не оставлял никакого сомнения относительно действия тока, идущего внутри столба, необходимо спаять, как я это и сделал, цинковые пластинки с медными по всей поверхности одной из сторон, а не соединять их просто металлическими перемычками, которые справедливо можно рассматривать как часть проводника.
11Под «энергией вольтова столба» Ампер понимал мощность.
12Это и есть закон взаимодействия двух параллельных токов.
13Имеется в виду П. С. Лаплас.
14Подобный телеграф был построен в 1832 г. русским инженером П. Л. Шиллингом (1786-1837) и использовался для связи Зимнего Дворца Петергофом.
15После редактирования настоящего труда я узнал от г. Араго, что подобный телеграф был уже предложен г. Земмерингом, с той лишь разницей, что вместо отклонения магнитной стрелки, тогда еще не известного, автор предлагал наблюдать разложение воды в стольких сосудах, сколь имеется букв.
16Здесь впервые Ампер выдвигает гениальную гипотезу «молекулярных токов».
17Вероятно, имеется в виду кремнещиковая соль Zn2Si04*2H20, кристаллы которой обладают пироэлектрическими свойствами.
18Здесь Ампер впервые делает обобщенный вывод о магнетизме как действии электрического тока.
19Т. е. полюс, которым магнитная стрелка обращается к северу; этот полюс лежит справа от токов, из которых состоит магнит, так как он находится слева от внешнего тока, одинаково направленного и обращенного «лицом» к первым токам.
* Впоследствии я изменил это расположение… - Прим. авт.