Τα πρώτα ηλεκτρομαγνητικά πειράματα

Η ανακάλυψη του φαινομένου της δημιουργίας μαγνητικού πεδίου από κινούμενα φορτία ανακαλύφθηκε τυχαία (όπως συμβαίνει με τις μεγάλες ανακαλύψεις) από τον Δανό καθηγητή της Φυσικής Χανς Κρίστιαν Ερστεντ (Hans Christian Oersted, 1777-1851).


Κατά τη διάρκεια ενός απογευματινού μαθήματος στο πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, τον Απρίλιο του 1820, ο Έρστεντ τοποθέτησε ένα σύρμα, από το οποίο περνούσε ηλεκτρικό ρεύμα, πάνω από μια μαγνητική βελόνα και παράλληλα με αυτήν. Με έκπληξη διαπίστωσε ότι, μόλις έκλεινε το κύκλωμα, η βελόνα γύριζε απότομα, τείνοντας να διευθετηθεί κάθετα στο σύρμα.

Όντας καλός πειραματιστής ο Έρστεντ σκέφθηκε να διερευνήσει περισσότερο αυτό το αναπάντεχο φαινόμενο και, σε πρώτη φάση, δοκίμασε να αντιστρέψει τη διεύθυνση του ρεύματος. Διαπίστωσε ότι η βελόνα αλλάζει και πάλι διεύθυνση και καταλήγει σε θέση ορθογώνια ως προς το σύρμα, τώρα όμως περιστρεφόμενη προς την αντίθετη φορά.

Ο Έρστεντ δημοσίευσε αυτήν την ανακάλυψη με δικά του έξοδα σε ένα μικρό τεύχος τον Ιούλιο του 1820. Ο γάλλος φυσικός Αραγκό, τότε πρόεδρος του Εθνικού Ινστιτούτου (διαδόχου της Γαλλικής Ακαδημίας Επιστημών τον καιρό της Δημοκρατίας), έμαθε για την ανακάλυψη του Έρστεντ και επανέλαβε το πείραμα ελαφρά τροποποιημένο, αντικαθιστώντας τη μαγνητική βελόνα με μια βελόνα από μαλακό σίδηρο. Διαπίστωση ότι το σύρμα που διαρρέεται από ρεύμα έλκει το σίδηρο με τον ίδιο τρόπο που τον έλκει και ένας κοινός μαγνήτης.

Άρα, οι μαγνητικές δυνάμεις του ρεύματος δεν διαφέρουν από αυτές ενός κοινού μαγνήτη. Ανακοίνωσε όλα αυτά τα νέα αποτελέσματα σε μια συνεδρίαση του Ινστιτούτου το Σεπτέμβριο του 1820.
Τη συνεδρίαση παρακολούθησε και ο Γάλλος μαθηματικός, και μέλος του Ινστιτούτου, Αμπέρ (André Marie Ampère, 1775-1836). O Αμπέρ εντυπωσιάστηκε τόσο από το νέο φαινόμενο ώστε, παρόλο που δεν ήταν φυσικός και μάλιστα πειραματικός, σχεδίασε και εκτέλεσε τέσσερα πειράματα που ξεκαθάρισαν οριστικά τη φύση του φαινομένου και το νόμο που το διέπει.

Σε μια εβδομάδα από την ανακοίνωση του Αραγκό είχε ήδη διατυπώσει το νόμο που περιγράφει τη δύναμη η οποία εξασκείται μεταξύ δυο ρευμάτων. Καταρχήν έκανε τη σημαντική διαπίστωση ότι η μαγνητική δύναμη μπορεί να αναπτυχθεί όχι μόνο μεταξύ ρεύματος και μετάλλου αλλά και μεταξύ δυο ρευμάτων. Στη συνέχεια προχώρησε στην εκτέλεση των εξής τεσσάρων πειραμάτων.

Στο πρώτο πείραμα τοποθέτησε δυο σύρματα, είτε ευθύγραμμα είτε το ένα στριμμένο γύρω από το άλλο, που διαρρέονται από ίσα και αντίθετα ρεύματα και διαπίστωσε ότι δεν επηρεάζεται η μαγνητική βελόνα.

Στο δεύτερο πείραμα χρησιμοποίησε και πάλι δύο σύρματα, το ένα και πάλι ευθύγραμμο αλλά το άλλο λυγισμένο σε κυματοειδή μορφή. Διαπίστωσε ότι το αποτέλεσμα ήταν το ίδιο όπως και στην περίπτωση των δυο ευθύγραμμων συρμάτων.

Στο τρίτο πείραμα διαμόρφωσε ένα σύρμα σε μορφή κυκλικού τόξου και το στερέωσε έτσι, ώστε να περιστρέφεται ελεύθερα γύρω από έναν άξονα που περνάει από το κέντρο του κύκλου και είναι κάθετος σε αυτόν. Διαπίστωσε ότι το σύρμα δεν κινείται καθόλου, αν πλησιάσουμε σε αυτό ένα φυσικό μαγνήτη ή ένα άλλο σύρμα που διαρρέεται από ρεύμα.

Τέλος τοποθέτησε τρία κυκλικά σύρματα, με διαφορετική ακτίνα το καθένα, κάθετα σε έναν άξονα, με τέτοιον τρόπο, ώστε να μπορεί να μεταβάλλει την απόσταση μεταξύ τους, και διαβίβασε το ίδιο ρεύμα και από τα τρία.

Αποτέλεσμα: Αν οι ακτίνες των κυκλικών συρμάτων ικανοποιούν τη συνθήκη R1/R2=R2/R3=r και οι αποστάσεις μεταξύ τους τη συνθήκη L12/L23=r, τότε το μεσαίο σύρμα ισορροπεί, δηλαδή η συνισταμένη δύναμη σε αυτό από τα άλλα δυο εξωτερικά σύρματα είναι μηδέν.



Σχήματα από την πρώτη επιστημονική δημοσίευση του Ampère.
1ο-2ο πείραμα: κάτω αριστερά, 3ο πείραμα: κάτω κέντρο,
4ο πείραμα: κάτω δεξιά (κλικ πάνω στην εικόνα για μεγέθυνση)

Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων κατέληξε στα παρακάτω συμπεράσματα για τη μορφή της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.
Πρώτο πείραμα: η συνάρτηση που δίνει τη δύναμη μεταξύ των δυο συρμάτων είναι ανάλογη προς το γινόμενο των δυο ρευμάτων και αλλάζει διεύθυνση όταν αλλάξει η φορά του ενός ρεύματος.
Δεύτερο πείραμα: το ρεύμα μπορεί να αναλυθεί σε συνιστώσες, όπως μια ευθεία γραμμή σε ένα ορθογώνιο σύστημα αξόνων, είναι δηλαδή ένα διάνυσμα.
Tρίτο πείραμα: η δύναμη που δέχεται ένα σύρμα που διαρρέεται από ρεύμα είναι κάθετη στο σύρμα
Τέταρτο πείραμα: η δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης μεταξύ των στοιχειωδών ρευμάτων

Το τελικό «ποιοτικό» συμπέρασμα είναι πως ένα κυκλικό ρεύμα συμπεριφέρεται σαν κοινός «φυλλόμορφος» μαγνήτης, με τους δυο μαγνητικούς πόλους στις δυο όψεις του κυκλικού «φύλλου».

Ο Αμπέρ μάλιστα πρότεινε τη, σωστή, ιδέα ότι όλοι οι φυσικοί μόνιμοι μαγνήτες οφείλουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε μικρά ρεύματα, στο επίπεδο των μορίων, τα οποία είναι όλα προσανατολισμένα προς την ίδια κατεύθυνση.



Υπολογισμοί του Αμπέρ σχετικά με την αλληλεπίδραση ρευμάτων (www.ampere.cnrs.fr)

Ο Αμπέρ υπέθεσε επιπλέον (κάτι που δεν προέκυπτε από τα πειράματά του) ότι η δύναμη μεταξύ δυο στοιχειωδών μηκών του κάθε σύρματος εφαρμόζεται κατά μήκος της ευθείας που τα ενώνει (γεγονός που φαίνεται λογικό, αφού συμφωνεί με το τρίτο αξίωμα του Νεύτωνα σχετικά με τη δράση και την αντίδραση).
Με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων του και την επιπλέον αυτή υπόθεση, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η δύναμη μεταξύ δυο στοιχειωδών ρευμάτων (dI1 και dI2) φαίνεται αν είναι της ίδιας μορφής με τις υπόλοιπες τρεις γνωστές μέχρι τότε δυνάμεις (βαρυτικές, ηλεκτροστατικές και μαγνητοστατικές): εφαρμόζεται κατά μήκος της ευθείας που ενώνει τα dI1 και dI2 και είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ αυτών. Αυτό το γεγονός θεωρήθηκε τότε ως απόδειξη ότι η μορφή της δράσης εξ αποστάσεως που υιοθέτησε ο Νεύτωνας είναι άμεσα συνδεδεμένη με τις βαθύτερες ρίζες της Φυσικής.

Τα πειράματα του Αμπέρ και η θεωρητική ερμηνεία τους από το μεγάλο Γάλλο ερευνητή προκάλεσαν πολύ μεγάλη εντύπωση στους φυσικούς του 19ου αιώνα. Σήμερα, η μαθηματική περιγραφή του ηλεκτρομαγνητισμού που πρότεινε ο Αμπέρ θεωρείται ξεπερασμένη, αφού έχει δυο σημαντικούς περιορισμούς:

(α) περιγράφει μόνο στατικά φαινόμενα, δηλαδή φαινόμενα που οφείλονται στην παρουσία σταθερών ρευμάτων. Επομένως δεν ισχύει για τα χρονικά διαστήματα που το ρεύμα μεταβάλλεται, όπως π.χ. όταν ανοίγουμε ή κλείνουμε ένα διακόπτη.

(β) υποθέτει ότι οι δυνάμεις μεταξύ δυο ρευμάτων εφαρμόζονται με άπειρη ταχύτητα.

Οι παραπάνω δυο περιορισμοί οφείλονται στο ότι στη θεωρία του Αμπέρ δεν υπάρχει η έννοια του πεδίου, αλλά εισάγεται απευθείας η έννοια της δύναμης μεταξύ ρευμάτων, όπως ακριβώς ο Νεύτωνας εισήγαγε τη δύναμη μεταξύ σωμάτων. Γι αυτό και ο ίδιος ο Μάξγουελ αποκάλεσε τον Αμπέρ Νεύτωνα του ηλεκτρισμού. Η θεωρία του Αμπέρ μπορεί να θεωρηθεί ως ειδική περίπτωση της θεωρίας του Μάξγουελ, όταν δεν υπάρχουν μεταβολές των ρευμάτων και όταν οι αποστάσεις είναι μικρές, ώστε να ισχύει με καλή προσέγγιση η υπόθεση ότι οι δυνάμεις εφαρμόζονται με άπειρη ταχύτητα.



Νόμος Ampère

Τέλος αξίζει να επισημάνουμε ένα σημείο που έχει ιδιαίτερη σημασία στην Ιστορία της Φυσικής. Ο Αμπέρ δεν ήταν το μοναδικό μέλος της Ακαδημίας Επιστημών της Γαλλίας που είχε εντυπωσιαστεί από την ανακάλυψη του Ερστεντ. Το ίδιο είχε συμβεί και με τον Μπιό (Jean-Baptiste Biot), ο οποίος, σε συνεργασία με τον συνάδελφό του Σαβά (Félix Savart) έκανε τα δικά του πειράματα. Οι δυο ερευνητές ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους, μαζί με έναν διαφορετικό, από αυτόν του Αμπέρ, νόμο δύναμης μεταξύ στοιχειωδών ρευμάτων, στα τέλη Οκτωβρίου, ένα μήνα μετά την πρώτη ανακοίνωση του Αμπέρ.




Νόμος Biot-Savart

Στο νόμο των Μπιό-Σαβά η δράση και η αντίδραση μεταξύ δυο στοιχειωδών ρευμάτων δεν εφαρμόζονται στην ίδια ευθεία, οπότε δεν ισχύει το τρίτο αξίωμα του Νεύτωνα, και εκ πρώτης όψεως φαίνεται ότι ο νόμος αυτών των δυο ερευνητών είναι κάτι το εντελώς διαφορετικό από το νόμο του Αμπέρ.

Αυτό όμως δεν είναι σωστό, επειδή στα πειράματα το ρεύμα κυκλοφορεί σε κλειστά κυκλώματα, οπότε αυτό που μετράει κανείς δεν είναι η δύναμη μεταξύ δυο στοιχειωδών ρευμάτων, αλλά η δύναμη μεταξύ δυο κυκλωμάτων. Η δύναμη αυτή υπολογίζεται ως το (διπλό) ολοκλήρωμα κατά μήκος των δυο βρόχων των δυο ρευμάτων, και το ολοκλήρωμα αυτό προκύπτει το ίδιο και για τους δυο νόμους, τόσο του Αμπέρ όσο και των Μιο-Σαβά! Άρα δεν υπάρχει τρόπος να αποφασίσει κανείς πειραματικά ποιος από τους δυο νόμους είναι ο «σωστός».

Ο νόμος των Μπιο-Σαβά είναι ευκολότερος στην ολοκλήρωση κατά μήκος μιας ευθείας, οπότε υπολογίζεται σχετικά απλά η δύναμη που εφαρμόζει ένας ευθύγραμμος αγωγός απείρου μήκους στο στοιχειώδες ρεύμα ενός δεύτερου αγωγού. Στη γλώσσα του μεταγενέστερου Μάξγουελ αυτό ισούται ουσιαστικά με την ένταση του μαγνητικού πεδίου στη συγκεκριμένη θέση, γι’ αυτό έχει επικρατήσει το όνομα «Μπιό-Σαβά» για το νόμο που υπολογίζει την ένταση του μαγνητικού πεδίου στη γειτονιά ενός άπειρου ευθύγραμμου αγωγού.

απόσπασμα από το βιβλίο του Χάρη Βάρβογλη, «Ιστορία και Εξέλιξη των Ιδεών στη Φυσική», εκδόσεις ΠΛΑΝΗΤΑΡΙΟ Θεσσαλονίκης.

https://physicsgg.me/2017/01/21/%cf%84%ce%b1-%cf%80%cf%81%cf%8e%cf%84%ce%b1-%ce%b7%ce%bb%ce%b5%ce%ba%cf%84%cf%81%ce%bf%ce%bc%ce%b1%ce%b3%ce%bd%ce%b7%cf%84%ce%b9%ce%ba%ce%ac-%cf%80%ce%b5%ce%b9%cf%81%ce%ac%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b1/