Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

płynie prąd, ulega namagnesowaniu, Ampère sprawdził, czy po umieszczeniu magnesu wewnątrz cewki powstaje w niej prąd elektryczny. Nie płynął. Wkrótce potem uczony znalazł się na skraju wielkiego odkrycia, a to w związku z pytaniem, czy magnetyzacja polega na uporządkowaniu prądów istniejących w ciele wcześniej, czy też są one w trakcie magnetyzacji wytwarzane. By znaleźć odpowiedź, badał m.in. układ, w którym miedziany pierścień zawieszony był we wnętrzu cewki, a zarazem w sąsiedztwie magnesu stałego. We wrześniu 1822 zaobserwował ruchy pierścienia raz w jedną, a raz w drugą stronę, zachodzące w chwili włączania bądź wyłączania prądu w cewce. W eksperymencie uczestniczył Auguste de La Rive, który wspomniał o jego wyniku krótko w jednym ze swych artykułów, nie podając przy tym informacji, które z naszego punktu widzenia byłyby niezbędne. Ampère, nie mogąc powiązać zaobserwowanego zjawiska ze swoją teorią i z dręczącymi go pytaniami, nie podjął nad nim dalszych badań. Wspomniał o poczynionej obserwacji na posiedzeniu Akademii Nauk, ale nie wzbudził tym zainteresowania.

      W tym samym roku Arago, w trakcie pomiarów pola magnetycznego Ziemi, zauważył, że drgania igły magnetycznej są szybko wygaszane, jeśli w jej pobliżu znajdują się metale nieulegające magnetyzacji. Dwa lata później ogłosił, że wirująca w pobliżu magnesu miedziana tarcza szybko wytraca prędkość. Charles Babbage i John Herschel stwierdzili eksperymentalnie, że wirujący elektromagnes wprawia znajdującą się nad nim miedzianą tarczę w ruch obrotowy. Poprzestano na izolowanych doniesieniach, nie podjęto nad tą grupą zjawisk systematycznych badań.

      Skoro prąd elektryczny wytwarza zjawiska magnetyczne, to wielu badaczy poszukiwało zjawiska odwrotnego: zamiany magnetyzmu na prąd elektryczny. (Tej zamiany nie poszukiwali Ampère i Arago w trakcie wspomnianych przed chwilą badań). Wypróbowywano najrozmaitsze układy magnesów i przewodników, na próżno. W 1825 Jean Daniel Colladon przeprowadzał eksperyment bardzo podobny do tych, jakie wykonali sześć lat później Faraday i Henry (zob. poniżej), ale by chronić galwanometr przed zakłóceniami, umieścił go w innym pomieszczeniu – co zapewne zdecydowało o niepowodzeniu (zanim uczony przemieścił się, by odnotować jego wskazania, igła galwanometru nieruchomiała w położeniu zerowym).

      Wreszcie w 1829 i 1830 Francesco Zantedeschi doniósł, że prądy elektryczne powstają w obwodach zamkniętych, do których zbliżamy lub od których oddalamy magnesy. Prace te, ogłoszone po włosku, przeszły niezauważone.

      W międzyczasie William Sturgeon zbudował pierwszy elektromagnes. Rozwijając jego konstrukcję, amerykański chemik i fizyk Joseph Henry w 1829 uzyskał elektromagnes unoszący ciężary przekraczające tonę. Nawinąwszy na niego jeszcze jedną cewkę, której końce połączone były z galwanometrem, odkrył, że w chwili włączania prądu w elektromagnesie w cewce powstaje chwilowy prąd elektryczny płynący w kierunku przeciwnym, a gdy prąd w elektromagnesie zostaje wyłączony, w cewce powstaje chwilowy prąd o kierunku zgodnym z kierunkiem prądu właśnie wyłączonego. Odkrył też, w innej serii eksperymentów, zjawisko samoindukcji. Odkrycia te ogłosił w 1832, zaznaczając, że indukowanie prądów zostało kilka miesięcy wcześniej opisane przez Faradaya.

      Faraday przez dziesięć lat próbował jakoś zamienić magnetyzm w prąd elektryczny. Wypróbowywał, niemal po omacku, rozmaite układy przewodników z prądem, magnesów i obwodów, w sąsiedztwie których umieszczał galwanometr, na próżno. (Dziś wiemy, że w niektórych przypadkach powstawały indukowane prądy, zbyt słabe jednak, by mogły je wykryć dostępne wówczas przyrządy). Sukces przyszedł, gdy, podobnie jak Henry, posłużył się zwojnicami nawiniętymi na ten sam rdzeń żelazny. 29 sierpnia 1831 stwierdził, że w chwili gdy włącza lub wyłącza prąd w jednej ze zwojnic, igła magnetyczna znajdująca się tuż pod drutem łączącym końce drugiej zwojnicy wpada w drgania, po czym powraca do położenia początkowego.

      Faradayowi przede wszystkim należy się miano odkrywcy indukcji elektromagnetycznej, gdyż po pierwszych udanych obserwacjach przeprowadził, w ciągu kilku miesięcy, setki eksperymentów. Wyniki uzyskane w 1831 przedstawił w I i II serii „Experimental Researches in Electricity”. Wytwarzał prądy w zwojnicach, włączając i wyłączając prąd w innych zwojnicach, nawiniętych na tym samym rdzeniu żelaznym. Wykazał, że po usunięciu rdzenia indukowane prądy stają się o wiele słabsze. Wytwarzał prądy, zbliżając i oddalając magnesy stałe do i od żelaznego rdzenia, na który nawinięta była zwojnica, a także szybko wsuwając i wysuwając magnes sztabkowy do i ze zwojnicy bez rdzenia. Nie znając matematyki, ograniczył się do opisów jakościowych, a nie mając formalnego wykształcenia w zakresie fizyki, posługiwał się dość osobliwym językiem. Główną rolę w jego opisach odgrywały krzywe magnetyczne, które później przemianował na linie sił. Źródłem takich wyobrażeń były obrazy opiłków żelaznych rozsypywanych np. na kartonie znajdującym się nad magnesem stałym albo przez który przechodziły przewodniki z prądem. Wzdłuż linii, w jakie układają się opiłki, będzie w każdym miejscu, dodawał Faraday, ustawiać się mała igła magnetyczna. Początkowo krzywe magnetyczne uważał raczej za wygodne narzędzia, pozwalające planować kolejne eksperymenty, a przede wszystkim wyrażać odkrywane prawidłowości. Oto charakterystyczna próbka (usunąłem z tekstu odsyłacze):

      232. Gdy prąd elektryczny płynie przez drut, drut ten jest otoczony w każdej części przez krzywe magnetyczne, o natężeniu malejącym zgodnie z ich odległością od drutu, i które w myśli da się porównać do pierścieni usytuowanych w płaszczyznach prostopadłych do drutu, a raczej do prądu elektrycznego w nim zawartego. Krzywe te, choć różne kształtem, są doskonale analogiczne do krzywych istniejących między dwoma przeciwnymi biegunami magnetycznymi przeciwległymi do siebie; a gdy drugi drut, równoległy do tego, który przenosi prąd, zbliża się do niego, przechodzi przez krzywe magnetyczne dokładnie tego samego rodzaju, jakie by przecinał będąc przenoszony między przeciwnymi biegunami magnetycznymi w jednym kierunku; a gdy oddala się od drutu indukującego, przecina krzywe wokół niego w taki sam sposób, jak przecinałby te między tymi samymi biegunami, gdyby poruszono go w kierunku odwrotnym. 238. W pierwszych eksperymentach drut indukujący i ten poddany indukcji umieszczono w stałej odległości od siebie, a następnie przez ten pierwszy przepuszczono prąd elektryczny. W takich przypadkach same krzywe magnetyczne należy uznać za poruszające się (jeśli mogę użyć tego wyrażenia) przez drut poddany indukcji, od chwili, gdy zaczną się one rozwijać, do chwili, gdy siła magnetyczna prądu osiągnie maksimum; rozchodząc się jakby od drutu na zewnątrz, a w konsekwencji będąc w tym samym stosunku do nieruchomego drutu poddanego indukcji, jak gdyby poruszał się on w przeciwnym kierunku przez nie, lub w kierunku drutu przewodzącego prąd. Z tego powodu pierwszy prąd indukowany w takich przypadkach płynął w kierunku przeciwnym niż prąd główny. Po przerwaniu kontaktu z baterią krzywe magnetyczne (które są jedynie wyrazem uporządkowanych sił magnetycznych) można sobie przedstawić jako kurczące się i powracające w kierunku zanikającego prądu elektrycznego, a zatem poruszające się w przeciwną stronę przez drut i wywołujące prąd indukowany przeciwny do pierwszego (Faraday 1832).

      Jeśli chodzi o odkryte niegdyś przez Arago oddziaływania między magnesami a tarczami z metali niemagnetycznych, wirującymi względem siebie, to Faraday domyślił się – i potwierdził ten domysł eksperymentalnie – że w tarczach indukowane są wirowe prądy elektryczne. Układ eksperymentalny, który zestawił w celu zbadania tych zjawisk, można uznać za prototyp prądnicy.

      3.5. Inne odkrycia w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu

      W 1822 Thomas Seebeck – lekarz z wykształcenia, a z zamiłowania poszukiwacz ukrytej jedności przyrody – stwierdził, że jeśli jedną część obwodu zbudowanego z bizmutu i miedzi podgrzejemy, to działa