В июне 1820 г. в Копенгагене была издана на латинском языке небольшая брошюра профессора Копенгагенского университета Ханса Кристиана Эрстеда с необычным названием: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Открытие Эрстеда не только обессмертило имя ученого, но явилось эпохальным событием в истории электромагнетизма. Как выразился один из ученых, электромагнетизм привлекал к себе не только железо, но и мысли европейских физиков.

Эрстед сделал свое открытие в декабре 1819 г. во время опытов на студенческой лекции: если расположить магнитную стрелку над проводом или под ним и пропустить электрический ток, то северный полюс стрелки повернется или к западу или к востоку. Эрстед подчеркнул, что речь идет не о притяжении или отталкивании, наблюдавшихся ранее в опытах с электричеством, а о вращении стрелки, вызываемом «вихрем» магнитных сил, возникающем вокруг проводника. В то время еще не было известно понятие «направление» тока и Эрстед считал, что положительное и отрицательное электричество, сталкиваясь в проводнике, образуют «конфликт», вызывающий «вихрь» магнитного поля.

В наши дни любой школьник может воспроизвести опыт Эрстеда и продемонстрировать «вихрь электрического конфликта», насыпав на плотный лист бумаги железные опилки, а сквозь центр листа, пропустив провод с электрическим током. Открытие Эрстеда спустя несколько месяцев привело к изобретению индикатора электрического тока: немецкий физик И. Швейггер (1779-1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током, создав новый электроизмерительный прибор – «мультипликатор» (1820), представлявший собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Мультипликатор Швейггера

Необычайно «урожайным» в истории электромагнетизма был 1820 г. Выдающиеся открытия следовали одно за другим. В сентябре 1820 г. французский физик, позднее академик, Д.Ф. Араго (1786-1853) обнаруживает намагничивание проводника протекающим по нему током: если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней «прилипали», а при выключении тока опилки «отставали». При замене медной проволоки железной она намагничивалась, а кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По совету Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, заметно усилилось. Так был создан «соленоид». Опыты Араго наглядно доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.

Наиболее выдающийся вклад в начальное исследование явлений электромагнетизма внес один из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампер (1775-1836), заложивший основы электродинамики. Ампер от природы был необыкновенно одаренным человеком. В истории науки не известен случай, чтобы 13-летний мальчик представил в Лионскую академию наук литературы и искусства свою первую математическую работу, в которой высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. С помощью отца – одного из образованнейших людей своего времени, сотрудников Лионского лицея и главным образом путем неустанного самообразования, к 18 годам познания Ампера в области математики, физики, механики вполне соответствовали курсу университетского образования. В то время как его сверстники еще не перестали играть в детские игры, он все глубже познавал естественные науки.

Но его творческая жизнь была нарушена страшной трагедией: в 1793 г. во время Великой французской революции был казнен его отец. После этого Ампер долго болел, но постепенно заставляя себя продолжать заниматься науками, начал давать частные уроки по физике, математике, химии, которые принесли ему не только денежные средства, но и известность способного педагога. И в 1802 г. он с успехом прошел собеседование и был зачислен на должность профессора в Центральной школе г. Бурга (недалеко от Лиона), а с 1809 г. – Ампер уже профессор математического анализа Политехнической школы в Париже – самой популярной среди технических школ Франции.

Ампера уже много лет интересовали электрические явления, но совмещать исследования этих явлений с математическими работами ему не удавалось.

Но когда Ампер в сентябре 1820 г. увидел на заседании Французской академии наук повторение Араго опытов Эрстеда, он, обладавший необыкновенным чувством научного предвидения, немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового явления. И уже 18 сентября 1820 г. он докладывает в Академии наук о своих первых открытиях в области электромагнетизма. Ампер впервые убедительно показал, что железная проволока, согнутая в кольцо, аналогична «тонкому листку» постоянного магнита – и кольцо и «листок» – оба имеют одноименные полюса – никому до него это – как говорят – не пришло в голову. И еще очень важное наблюдение. (Заметим, что Ампер с поразительной последовательностью выступал еженедельно с сентября по декабрь перед академиками, излагая свои новые открытия, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.) Если «круговой» ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов. Ампер вводит в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества – «от плюса к минусу». Он также сформулировал важное правило о направлении отклонения магнитной стрелки, зависящего от направления тока в проводнике – «правило пловца».

На основании многочисленных экспериментов Ампер установил закон взаимодействия линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются. Тогда как два противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Для исследования токов он создал так называемый «станок Ампера» (рис. 5.2).

Обнаруженные явления Ампер предложил называть электродинамическими в отличие от известных ранее электростатических. Позднее электродинамика стала одним из важнейших разделов физики и электротехники.