Ханс Эрстед
Ханс, или Ганс Христиа́н Эрсте́д (датск. Ørsted, 1777–1851) — датский учёный, физик, исследователь электромагнетизма.
Ранние годыПравить
Родился 14 августа 1777 г. в маленьком городке Рудкебинге, расположенном на датском острове Лангеланд. Его отец был аптекарем, денег в семье не водилось. Начальное образование братьям Хансу Христиану и Андерсу пришлось получать где придётся: городской парикмахер учил их немецкому; его жена — датскому; пастор маленькой церквушки научил их правилам грамматики, познакомил с историей и литературой; землемер научил сложению и вычитанию, а заезжий студент впервые рассказал им о свойствах минералов.
С 12-ти лет Ханс помогает своему отцу в аптеке. Здесь он заинтересовывается естественными науками и решает поступать в университет.
Учеба в Копенгагенском университетеПравить
Университет в столице Дании Копенгагене был основан ещё в 1478 г., но общеобразовательная культура его весьма низка. Достаточно сказать, что с начала XVIII века кафедра физики в нём была ликвидирована с той целью, чтобы усилить курс богословия.
В 1794 г. (17 лет) Эрстед в качестве абитуриента выезжает в Копенгаген и целый год готовится к экзаменам, которые затем успешно выдерживает. Его брат последовал за ним в Копенгаген и изучал там юриспруденцию. Сохранились воспоминания современников о том, как братья, держась за руки, долгими днями гуляли по зелёным лужайкам университетских дворов или сидели на ступенях старинных зданий или в гулких аудиториях, отрешённые, с горящими глазами. Оба были больны наукой…
Ханс был счастлив в университетских стенах; он писал позднее, что для того, чтобы юноша был абсолютно свободен, он должен наслаждаться в великом царстве мысли и воображения, где есть борьба, где есть свобода высказаться, где побежденному дано право восстать и бороться снова. Во время учёбы Эрстед занимается практически всеми возможными дисциплинами. Золотая медаль университета была присуждена ему за эссе «Границы поэзии и прозы».
Он разбрасывался и, казалось, заранее ставил крест на своей научной карьере, предпочитая разносторонность профессионализму. Следующая его работа, также высоко оценённая, была посвящена свойствам щелочей, а блестяще защищённая диссертация, за которую он в 1798 г. получил степень доктора философии (едва закончив обучение), была посвящена медицине (!). По другой версии, звание доктора философии он получил за свой первый опубликованный труд «Метафизические основы естествознания Канта»: якобы эта работа в расширенном варианте принесла автору (без защиты) степень доктора философии.
По окончании 3-хлетнего обучения в университете Эрстед получает звание фармацевта высшей ступени. Впрочем, слово «высший» ни о чём не говорит. Физику и химию, эти фундаментальные для естествоиспытателя науки, преподавал в университете по совместительству профессор медицины.
Выпускник-фармацевт устраивается временным управляющим одной из модных столичных аптек, но сильное желание преподавательской деятельности приводит его к должности адъюнкта (лицо, занимающее младшую ученую должность в академиях и в вузах; помощник академика или профессора.) при университете. Ему поручается чтение двух лекций в неделю без оплаты труда. Следовательно, он должен был продолжать работать в аптеке. Эта работа хоть и отвлекала от науки, но позволяла использовать оборудование аптеки в качестве исследовательской лаборатории.
Три года преподавания в университете не проходят даром. Старательный адъюнкт был замечен начальством и отправлен в заграничную командировку для повышения научной квалификации (в некоторых источниках указывается, что в командировку он едет сразу же после окончания обучения, однако практически везде указывается, что в Данию он возвращается в 1804 году, следовательно, получается, что он путешествует по Европе более пяти лет, что неправдоподобно — вряд ли у университета были деньги и желание оплачивать столь длительную поездку. В данном случае я больше склонна доверять БСЭ, где указано, что Эрстед стал адъюнктом в 1800 году). Сначала Германия, где произошла встреча командированного учёного с человеком, талант и ум которого оказал глубокое влияние на его научные интересы. Речь идёт о «гениальном фантазёре» и сумасброде, неординарном физике и химике Иоганне Вильгельме Риттере, принципиальном стороннике натурфилософии Шеллинга, идеи которой заключались в том, что будто бы все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Эти положения и заинтересовали Эрстеда. Вот что он писал: «Моё твёрдое убеждение, что великое фундаментальное единство пронизывает природу. После того как мы убедились в этом, вдвойне необходимо обратить наше внимание на мир разнообразия, где эта истина найдёт своё единственное подтверждение. Если мы не сделаем этого, единство само по себе становится бесплодным и пустым рассуждением, ведущим к неправильным взглядам».
Затем Париж, где он слушает лекции учёных первой величины — физика Шарля, химика Бертолле, естествоиспытателя Кювье. Большое впечатление на молодого учёного производят студенческие лаборатории Парижской политехнической школы — ведь в родной Дании таких нет. И вот его вывод: «Сухие лекции без опытов, какие читают в Берлине, не нравятся мне. Все успехи науки должны начинаться с экспериментов».
В 1804 г. Эрстед возвращается в Данию. Но с работой в университете у него не все было ладно. Он не мог рассчитывать на государственную оплачиваемую должность. Однако после того как Эрстеду было поручено ведать коллекцией физических и химических приборов, принадлежащих королю (встречается также утверждение, что король подарит университету Копенгагена эту коллекцию в 1815 году; впрочем, одно другому не противоречит), он решается читать частные лекции по физике и химии.
«Мои лекции по химии, — писал начинающий лектор, — привлекают столько слушателей, что не все могут поместиться в аудитории». Именно этими лекциями Эрстед доказал администрации университета своё право на оплачиваемую штатную должность. В 1806 г. он становится экстраординарным профессором физики, в функции которого входила обязанность экзаменовать кандидатов по философии, а также преподавать физику и химию студентам-медикам и фармацевтам. «Отныне, — писал уже штатный профессор, — я получил привилегию основать физическую школу в Дании, для которой я надеюсь найти среди молодых студентов много талантливых людей». После этого назначения физика была признана полноправной дисциплиной в Копенгагенском университете. И через сто лет один из воспитанников этого университета Нильс Бор (1855–1962) станет одним из создателей современной квантовой физики.
В 1812 Эрстед снова выезжает за границу — в Берлин и Париж. И там он пишет работу «Исследование идентичности электрических и химических сил». Эта работа свидетельствует о том, что автор продолжает руководствоваться своей философской концепцией. С 1815 г. Эрстед — непременный секретарь Датского королевского общества.
История открытияПравить
Собственно, история открытия, совершенного зимой 1819–1820 учебного года (в одних источниках — 15 февраля, в других — ещё в декабре) включает в себя два варианта событий, но обо всём по порядку:
Эрстед на лекции в университете демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую, или, как тогда говорили, гальваническую цепь. На демонстрационном столе находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов (здесь показания свидетелей расходятся — говорят, это был аспирант, а то и вовсе университетский швейцар) случайно заметил, что когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Однако существует мнение, что Эрстед заметил отклонение стрелки сам.
В пользу стороннего наблюдателя говорит то, что, во-первых, сам Эрстед был занят манипуляциями скручивания проводов, да и к тому же вряд ли бы он, сотни раз проводивший такой опыт, стал живо интересоваться его ходом.
Однако предыдущие исследования Эрстеда и его увлечённость концепцией Шеллинга говорят об обратном. В некоторых источниках даже указывается, что Эрстед якобы всюду носил с собой магнит, чтобы непрерывно думать о связи магнетизма и электричества. Это представляется мне ложью, призванной упрочить позицию Эрстеда как первооткрывателя. В самом деле, если был так озабочен проблемой, почему не попытался раньше целенаправленно поставить опыт с электрической цепью и компасом? Ведь компас — одно из наиболее очевидных практических использований магнита. Тем не менее, нельзя отрицать, что над проблемой связи электричества и магнетизма он задумывался, как впрочем, и над проблемами связи других явлений, между которыми никакой связи не было (напомню, он был приверженцем концепции Шеллинга). Так или иначе, открытие было сделано.
Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта, а затем стал их менять. И вот что обнаружилось. «Если расстояние от проволоки до стрелки не превосходит 3/4 дюйма, отклонение составляет 450. Если расстояние увеличивать, то угол пропорционально уменьшается. Абсолютная величина отклонения изменяется в зависимости от мощности аппарата». (Используя данное сообщение, А.М. Ампер вскоре предложит на его принципе магнитоэлектрический гальванометр, роль которого в развитии электрической науки трудно преувеличить.)
Дальше начались вообще чудеса. Экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И о чудо! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, становились как бы магнитными, когда через них протекал электрический ток. Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического».
Когда соединительную проволоку Эрстед ставил вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на неё, а располагалась как бы по диаметру окружности с центром по оси проволоки. Исследователь предложил считать действие проволоки с током ВИХРЕВЫМ, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.
Публикации и признаниеПравить
Уже в июне 1820 Эрстед печатает на латинском языке небольшую, всего 4 страницы, работу под заголовком: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». В ней учёный пишет резюме: «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут. Именно потому, что контур оставался разомкнутым, не увенчались успехом попытки такого же рода, сделанные несколько лет тому назад известными физиками».
В этой же работе он пытается выработать правило, с помощью которого можно было бы заранее определить направление магнитного действия сил, возникающих в проводнике при прохождении по нему электрического тока. Вот это правило: «Полюс, который видит отрицательное электричество входящим над собой, отклоняется к западу, а полюс, который видит его входящим под собой, отклоняется к востоку».
Опыты Эрстеда ставили науку в затруднительное положение. Из экспериментов следовало, что сила, действующая между магнитным полюсом и током в проводнике, направлена не по соединяющей их прямой, а по нормали к этой прямой, т. е. перпендикулярно. Этот факт подвергал сомнению всю ньютонианскую систему построения мира. Это почувствовали переводчики, переводившие на французский, итальянский, немецкий и английский языки латинский текст датского учёного. Зачастую, сделав буквальный перевод, представлявшийся им неясным, они приводили в примечаниях латинский оригинал.
После своего открытия Эрстед стал всемирно признанным учёным. Он был избран членом многих наиболее авторитетных научных обществ: Лондонского Королевского общества и Парижской Академии. Англичане присудили ему медаль за научные достижения, а из Франции он получил премию в 3000 золотых франков, когда-то назначенную Наполеоном для авторов самых крупных открытий в области электричества. Однако он не стал почивать на лаврах и продолжил заниматься наукой — в 1822–23 независимо от Ж. Фурье открыл термоэлектрический эффект и создал первый термоэлемент. Изучал сжимаемость и упругость жидкостей и газов, изобрёл пьезометр (устройство, служащее для измерения изменения объёма веществ под воздействием гидростатического давления), пытался обнаружить электрические эффекты под действием звука. Занимался также молекулярной физикой, в частности, изучал отклонения от закона Бойля — Мариотта.
Эрстед обладал не только научным, но и педагогическим талантом, вёл просветительскую деятельность: в 1824 создал Общество по распространению естествознания, в 1829 стал директором организованной по его инициативе Политехнической школы в Копенгагене. Умер Эрстед в Копенгагене 9 марта 1851. Его хоронили как национального героя.