W szkole, na studiach, od kolegów i z Wikipedii uczymy się o elektryczności i o magnetyzmie. Czasem nawet o „elektromagnetyzmie”. Można z tego odnieść wrażenie, że fizycy i inżynierowie wszystko o elektromagnetyzmie wiedzą, że wszystko jest opisane równaniami Maxwella, szczególną teorią względności Einsteina, a gdy trzeba to elektrodynamiką kwantową. Faktem jest, że w dobrych podręcznikach „wyjaśniane” są prawie wszystkie zjawiska. Tyle, że gimnastyka i siła perswazji użyta przy tych „wyjaśnieniach” nie wszystkim gustom odpowiada. Są tacy którzy są z tych „wyjaśnień” zadowoleni i są tacy co nie są. Ciekawiej się robi gdy nie poprzestaniemy jedynie na podręcznikach a sięgniemy do oryginalnych publikacji badaczy. Zobaczymy wtedy, że fizycy spierają się z fizykami, inżynierowie z inżynierami, i inżynierowie z fizykami. Spory nie są widoczne gołym okiem dla przeciętnego zjadacza chleba, są jednak dobrze widoczne gdy się odwiedzi fora dyskusyjne – toczą się tam czasem walki na pięści i zależnie od forum ta lub inna strona wcześniej czy później albo rezygnuje albo dostaje bana.
Ciekawe jest to, że na ogół nie ma dysput gdy idzie o obserwowane zjawiska. Dysputy dotyczą ich opisu, filozofii, teorii i wniosków z obserwowanych zjawisk wynikających. Przykładem takiego zjawiska jest piorun kulisty – o czym było trochę dyskusji w poprzedniej notce. I tak rosyjska Wipedia stwierdza:
Шарова́я мо́лния — редкое природное явление, единой физической теории возникновения и протекания которого к настоящему времени не представлено. Существуют около 200 теорий объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами. Но о природе естественной шаровой молнии вопрос остаётся открытым. По состоянию на конец 20 века не было создано ни одного опытного стенда, на котором, в масштабе природного явления искусственно воспроизводилась бы тождественная описаниям очевидцев шаровая молния.
Широко распространено мнение, что шаровая молния — явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляющая собой особого вида молнию, существующую продолжительное время в виде шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда очень удивительной для очевидцев траектории.
Nie będę tłumaczył całości, wystarczy, że przetłumaczę to: „Istnieje ok. 200 teorii wyjasniających zjawisko, ale żadna z nich nie dorobiła się pełnej akceptacji w środowisku akademickim.”
Kto nie zna rosyjskiego – naprawdę warto przetłumaczyć sobie całość powyższego tekstu. Pouczające.
Piorun kulisty to zjawisko niewątpliwie trudne: „По состоянию на конец 20 века не было создано ни одного опытного стенда, на котором, в масштабе природного явления искусственно воспроизводилась бы тождественная описаниям очевидцев шаровая молния.” Nikomu dotąd się nie udało wytworzyć w warunkach laboratoryjnych zjawiska mającego wszystkie te własności, które są opisywane przez świadków. Możemy więc spekulować do woli, z większym lub mniejszym skutkiem, bo nie ma jak naszych spekulacji sprawdzić. Lepiej więc skupić się na zjawiskach powtarzalnych, nawet w warunkach domowych, i sprawdzać nasze spekulacje i teorie, te z Wikipedii i te własne, przymierzając je do tych właśnie sprawdzalnych nawet u siebie w domu zjawisk.
Jako naturalną kontynuację moje notki o Oerstedzie przedstawię dziś jedno z doświadczeń Ampere'a. Nie jest zbyt skomplikowane i każdy może je sobie odtworzyć w warunkach domowych. Najpierw przedstawię jednak nieco historii i podłoża filozoficznego.
Oersted odkrył działanie prądu elektrycznego na igłę magnesu w roku 1820. Wieść o tym szybko dotarła do Paryża. Arago przedstawił odkrycie Oersteda Francuskiej Akademii Nauk i natychmiast do boju wkroczył André-Marie Ampère.
Ampere miał jednak filozofię trochę inną od filozofii Orsteda.
Cytował więc Ampère z Listu do Koryntian:
1Co 7:29 Mówię, bracia, czas jest krótki. Trzeba więc, aby ci, którzy mają żony, tak żyli, jakby byli nieżonaci,
1Co 7:30 a ci, którzy płaczą, tak jakby nie płakali, ci zaś, co się radują, tak jakby się nie radowali; ci, którzy nabywają, jak gdyby nie posiadali;
1Co 7:31 ci, którzy używają tego świata, tak jakby z niego nie korzystali. Przemija bowiem postać tego świata.
Oersted wyobrażał sobie „konflikt” w przewodzie i wokół niego. Według Oersteda „cosik” latało po przewodzie, zderzało się ze sobą. Cosik latało wokół przewodu, potrącało biegun igły magnetycznej. Ampère takich latających poza przewodem cosików nie akceptował. Owszem, cosik latał w przewodzie, ale nie tak jak tego Oersted chciał, wzdłuż przewodu, a każdej „molekule” przewodu, w kółko. Jednak, filozofie odkładając na boki, Ampère nie miał w młodości trudności z tabliczką mnożenia, jak to było u Oersteda. Dlatego Ampère nie tylko odkrył nowe zjawiska, ale był w stanie ująć obserwowane zjawiska w ścisłą matematyczną formę. Jeden z takich eksperymentów teraz opiszę.
W oryginale doświadczenie to wyglądało tak:
Do doświadczenia nie są nam potrzebne żadne magnesy (choć możemy użyć i magnesu). Potrzeba nam za to około 4 m drutu miedzianego na nawinięcie dwóch spiral, każda po ok. 2m. Przydadzą się też cztery baterie. Jak na tym obrazku:
Wielkość płynącego prądu będzie zależeć od grubości przewodu. Po zamknięciu na chwilę obwodu prąd płynący powinien wynosić około 2 A. Każda ze spiral może mieć około trzydziestu zwojów, zwój zewnętrzny o średnicy ok. 3 cm. Cała reszta do wypróbowania. (W swych doświadczeniach Ampere przepuszczał prąd rzędu 20 A). Po zamknięciu obwodu spirale winny się zbliżyć do siebie (lub oddalić, zależnie od wzajemnych kierunków prądów).
Można też spróbować wersji z jedną spiralą a zamiast drugiej użyć magnesu – wtedy wrócimy do zjawiska odkrytego przez Oersteda. Nic dziwnego, że Ampere doszedł do wniosku, że za wszystko, także za magnetyzm, odpowiedzialne są oddziałujące na siebie, poprzez „przestrzeń”, prądy.
Po badaniach ilościowych Ampere sformułował prawo Ampere'a:
Mając dwa elementy z prądem o długościachΔl1,Δl2 i prądach I1, I2,
siła działająca naΔl2 ze stronyΔl1 dana jest wzorem:
Uwaga: ta formuła powyżej jest prowizoryczna. Sprawdzę w oryginale jak to Amper zapisywał!
Trochę trudno się w tym rozebrać:
Oto faktyczna formuła Ampera:
Kto nie wierzy – ten może sprawdzić. (Dla przewodów o skończonej długości - trzeba całkować.) Ważne jest jednak, że rzecz dotyczy sytuacji statycznej. Gdy jeden (lub oba) przewodnik znajduje się w ruchu – sprawy się komplikują. Prawo trzeba uzupełnić. I o to uzupełnienie są całe waśnie. Uzupełniało wielu.Dziś tłucze się zazwyczaj w głowę tylko jedno takie uzupełnienie – związane z dziełem Maxwella i „Elektrodynamiką ciał w ruchu” Einsteina.
Literatura:
A. K. T. Assis, M. P. Souza Filho, J. J. Caluzi and J. P. M. C. Chaib, “
From electromagnetism to electrodynamics: Ampère’s demonstration of the interaction between current carrying wires”, Proceedings of the 4th International Conference on Hands-on Science (University of Azores, Ponta Delgada, Portugal, 2007), pp. 9-16, M. F. P. d. C. M. Costa, J. B. V. Dorrio and R. Reis (editors)
