Техника - молодёжи 1968-12, страница 10

тизм на электростатику и электродинамику. В своем классическом труде «Теория электродинамических сил, выведенная исключительно из опыта», написанном в 1826 году, он, в частности, утверждал: «Силы действия между двумя элементами тока равны и действуют исключительно по прямой, их соединяющей, уничтожая друг друга... Взаимодействие различных частей неизменной формы системы ни в коем случае не может сообщить этой системе какого бы то ни было движения».

Заслуги Ампера перед наукой были настолько велики, что имя его стало синонимом непререкаемости, вечности и безусловной истинности ключевых позиций электродинамики. В своем «Трактате об электричестве и магнетизме» (1869 год) крупнейший ученый, создатель системы уравнений электромагнитного поля Джеймс Максвелл, называя Ампера «Ньютоном электричества», утверждал, что «...форма ее (теории электродинамических явлений Ампера. — Прим. В. О.) совершенна, строгость безупречна, все резюмируется в одной формуле, из которой могут быть выведены все явления и которая должна будет остаться навсегда в качестве фундаментальной формулы электродинамики».

Много лет спустя, в 1934 году, один из видных специалистов по электродинамике, Хэгг, по книге которого «Электромагнитные силы» учились и до сих пор учатся студенты, подтвердил незыблемость авторитета Ампера: «...Изо всех допущений наилучшим является правило Ампера, ибо оно делает силы, действующие на элементы тока, равными и направленными в противоположные стороны по прямой, их соединяющей, и поэтому оно наиболее разумно».

И в общем хвалебном хоре как-то незаметно терялись одинокие, еще робкие и нерешительные голоса, которые (хотя и с оговорками) высказывали сомнения в правильности некоторых амперовских утверждений.

Первые сомнения

Первым критиком Ампера стал Фа-радей. Он с должным уважением относился к экспериментам коллеги и к его виртуозным расчетам сил, действующих между проводниками с током. Но Фарадей был совершенно не согласен с «туманными и противоречивыми» объяснениями физической сущности явления. В то время ученые представляли себе электрический ток неким флюидом, невесомой жидкостью особого рода, которая могла впитываться в «поры» материала, способствуя его электризации. Ампер еще более усложнил эту схему, считая, что в проводнике текут в противоположных направлениях два потока из разноименных частиц и что электродинамические силы рождаются в результате взаимодействия таких потоков. Это заблуждение Ампера вполне можно понять, если учесть, что всего за три года до его смерти стало известно, например, — природа электричества не зависит от происхождения (молния, скат, янтарная палочка), электричество различается лишь своим количеством и потенциалом.

Гораздо серьезнее прозвучала критика Ампера в устах немецкого математика Грассмана. В 1844 году он опубли

ковал статью, в которой показал сложность и громоздкость основной электродинамической формулы Ампера, предложив взамен свою расчетную зависимость. И тут произошла парадоксальная вещь: хотя работу Грассмана не заметили, его формулу по каким-то непонятным причинам стали называть формулой Ампера (!). Имя немецкого ученого сейчас известно практически лишь в теории многомерных пространств и кривых большого порядка. А ведь его исследования в области электродинамики были удивительно точными. Достаточно привести такой пример: основоположник электронной теории Лоренц в 1895 году дал формулу для расчета сил между двумя движущимися заряженными частицами. И что же? Эта формула оказалась совершенно идентичной формуле Грассмана для расчета сил между двумя элементами тока!

Наконец, в наше время было пересмотрено утверждение Ампера о равенстве и противоположном направлении сил между двумя элементами тока. Вот что пишут, например, Каплян-ский, Лысенко и Полотовский — авторы «Теоретических основ электротехники» (1961 год): «Следует отметить, что элементарные силы взаимодействия двух элементов длины разных контуров третьему закону Ньютона могут не удовлетворять... Это объясняется тем, что физический смысл имеет лишь замкнутый контур, а не отдельный элемент тока, к которому нельзя применять указанный закон». То же самое утверждается и в «Теории электромагнитного поля», изданной под редакцией Кляц-кина в 1962 году: «Нетрудно убедиться, что силы, действующие на два элемента тока различных контуров, не удовлетворяют закону равенства действия и противодействия: направления сил в общем случае не противоположны друг другу, а величины различны... Можно, однако, показать, что при интегрировании по замкнутым контурам мы всегда получим силы, равные по величине и противоположные по направлению..., а так как элементы тока всегда являются частью замкнутых контуров, то указанное противоречие является только кажущимся».

Требования практики

Однако на практике чаще всего имеют дело не с замкнутыми контурами, а с их отдельными участками. Так, электрикам приходится рассчитывать силы взаимодействия между параллельно положенными электрическими шинами, по которым протекает аварийный ток. Эти силы при токах около 200 тыс. а достигают порядка нескольких тонн. Приходится рассчитывать и силы между отдельными частями обмоток электри-

Один из самых эффектных опытов Сигало-ва. Токи в проводниках большого контура, взаимодействуя с током в П-образной рамке, стремятся «выдвинуть» ее из контура. Но сила смещения рамки за счет взаимодействия токов в ее собственных перекладинах так велика, что рамка «вдвигается в контур», хотя теоретически это невозможно!

ческих машин или трансформаторов, частями токоведущих контуров силовых выключателей, реакторов, электрических аппаратов и т. д. (Напомним, все это — не замкнутые контуры, но в каждом случае действуют огромные и вполне реальные силы, которые надо скомпенсировать с помощью бандажей, опор и подвесок.)

За неимением лучшего инженеры пользуются при таких расчетах известными формулами, хотя у них «...есть некоторый кажущийся недостаток, ...который исчезает при определении усилий для целых контуров» (X о л я в -с к и й, Расчет электродинамических усилий в электрических аппаратах, 1964). Что ж поделаешь, если теоретики не разработали нового математического аппарата, — практические задачи требуют неотложных решений. Конечно, это не очень-то приятно и подрывает веру в правильность своих действий. Недаром известный английский электротехник Триккер в статье «Ампер, как современный физик», написанной пять лет назад, высказывается на сей счет крайне пессимистично и приходит к весьма мрачным выводам. Признавая, что взгляды Ампера выдержали проверку временем, он одновременно утверждает, что «...дифференциальная формула Ампера... не позволяет рассчитывать силы с помощью интегрирования», а потому «...даже правильные меры заводят в тупик, что свидетельствует об отсутствии в науке критерия истинности».

К счастью, критерий истинности теории — практика, а не авторитет ученого. Оттого, что формулу Ампера нельзя использовать для вычислений, истина не перестает быть истиной. Нужно лишь подобрать такую расчетную зависимость, которая ближе всего отражала бы реальные закономерности. Гораздо сложнее в рамках классической амперовской электродинамики объяснить, почему деформируются замкнутые токонесущие контуры. И уж никто не задумывался над практическим применением таинственно возникающих сил. На пути непреодолимым барьером стояло одно из фундаментальных утверждений Ампера: взаимодействие отдельных участков единичного контура не может быть причиной движения всего контура. И эта аксиома, казалось бы, подтверждается всем развитием электротехники: «венец творения» — электродвигатель состоит из двух взаимно смещающихся контуров — статора и ротора. Если бы вдруг какой-нибудь студент заявил на экзамене, что контур может двигаться за счет взаимодействия тока со своим собственным магнитным полем, он, несомненно, получил бы «неуд». По сути дела, это одно и то же, что утверждать — ротор может вращать сам себя. И тем не менее такая крамольная мысль невольно при

4. Источник

— ТОКА

Контур

БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ

П-ОБРАЗНАЯ РАМКА

Скользящие контакты

6