Ιστορική Εξέλιξη Ηλεκτρομαγνητισμού - Αρχές 19ου αιώνα: H ανακάλυψη του Oersted και η γένεση του Ηλεκτρομαγνητισμού

Hans Christian Oersted

Στις 21 Ιουλίου 1820 και καθώς οι συνθήκες είχαν –καθώς φαίνεται– ωριμάσει, μια εντυπωσιακή επιστημονική ανακοίνωση ήρθε να ταράξει τα νερά: Το Ηλεκτρικό Ρεύμα εξέτρεπε μία μαγνητική βελόνη που αρχικά ήταν προσανατολισμένη παράλληλα προς αυτό. Η πατρότητα της
ανακοίνωσης ανήκει στον Hans Christian Oersted (1777–1851), καθηγητή Φυσικής Φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και γραμματέα της Βασιλικής Εταιρείας της Κοπεγχάγης και δημοσιεύτηκε σε άρθρο με τίτλο Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle (πειράματα σχετικά με την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος στη μαγνητική βελόνη)^[1].

Το διάσημο πείραμα του Oersted: η μαγνητική
βελόνη της πυξίδας εκτρέπεται, κάθε φορά που
παρατηρείται μεταβολή στην ροή του
ηλεκτρικού ρεύματος. 

Την πεποίθησή του ότι το Μαγνητικό Πεδίο με κάποιον τρόπο συσχετίζεται με τον ηλεκτρισμό, είχε εκφράσει ο Oersted ήδη από το 1812. Την παρατήρηση του φαινομένου πραγματοποίησε το 1819, σε διάλεξη με θέμα την επίδραση χημικών φαινομένων στην μαγνητική κατάσταση του σιδήρου, κατά τη διάρκεια της οποίας πραγματοποίησε το ιστορικό του πείραμα, σημειώνοντας τις αποκλίσεις μιας μαγνητικής βελόνας τοποθετημένης πλησίον σύρματος από λευκόχρυσο, κάθε φορά που άνοιγε και έκλεινε το Ηλεκτρικό Κύκλωμα. Ο Oersted συνέχισε στα πειράματά του, διαπιστώνοντας επίσης την απόκλιση ενός σύρματος που διαρρέεται από ρεύμα, όταν είναι ελεύθερο να κινηθεί, από έναν μαγνήτη.

Εν τέλει και ακριβώς επειδή συνειδητοποίησε την σπουδαιότητα αυτού του φαινομένου, ήταν αυτός –και όχι ο προγενέστερός του Romagnosi- που πιστώθηκε την ιστορική ανακάλυψη που οδήγησε στην γένεση του Ηλεκτρομαγνητισμού.

Οι απαρχές του Ηλεκτρομαγνητισμού.

Η σπουδαιότητα του άρθρου του Oersted, παρόλο που ήταν κυρίως ποιοτικό και δεν περιελάμβανε καμία μαθηματική αναπαράσταση του φαινομένου, αναγνωρίστηκε αμέσως, μεταφράστηκε σε πολλές γλώσσες και δημοσιεύτηκε σε έγκυρα επιστημονικά περιοδικά. Αρκετοί επιφανείς ερευνητές προχώρησαν άμεσα σε πειραματικές έρευνες των αλλη-λεπιδράσεων ηλεκτρικών ρευμάτων και μαγνητών, δημιουργώντας τον σκελετό, πάνω στον οποίο θα χτιζόταν το νέο ηλεκτρομαγνητικό οικοδόμημα της Φυσικής.

O πολλαπλασιαστής του
Schweigger που χρησιμοποιή-
θηκε από τον Oersted
το 1823.

Σχεδόν δύο μήνες μετά την ανακάλυψη του Oersted, τoν Σεπτέμβριο του 1820, o Γερμανός Johann Salomo Christoph Schweigger (1779-1857) κατάφερε να βρει έναν τρόπο ενίσχυσης του παρατηρηθέντος φαινομένου. Για τον σκοπό αυτό κατασκεύασε έναν «πολλαπλασια-στή» περιτυλίγοντας πολλές σπείρες σύρματος γύρω από ένα παραλληλόγραμμο πλαίσιο, στο κέντρο του οποίου αιωρούταν μία μαγνητική βελόνη. Ευτυχής διαπίστωσε πως η περιέλιξη του σύρματος ενίσχυε το επαγώμενο από το ηλεκτρικό ρεύμα μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα την εντονότερη απόκλιση της μαγνητικής βελόνης. Η συσκευή του αυτή αποτέλεσε το πρώτο ευαίσθητο όργανο εντοπισμού και μέτρησης ηλεκτρικων ρευμάτων, που πήρε το όνομα «γαλβανόμετρο», προς τιμήν του Luigi Galvani.

Στις 11 Σεπτεμβρίου 1820, τα αποτελέσματα του πειράματος του Oersted ανακοινώθηκαν στην Γαλλική Ακαδημία Επιστημών από τον François Jean Dominique Arago (1786–1853). Ανάμεσα στους παρισταμένους ήταν ο Andre Marie Ampère (1775-1836), εξέχων θεωρητικός επιστήμονας, με άριστη μαθηματική κατάρτιση και παράλληλα ικανός πειραματιστής, διδάσκων στην Ecole Polytechnique. Επρόκειτο για έναν χαρισματικό άνθρωπο, με τεράστιο εύρος ενδιαφερόντων, ο οποίος χαρακτηρίστηκε από τον μεγάλο James Maxwell ως «Νεύτων του Ηλεκτρισμού».

Σε μία μόλις εβδομάδα, ο Ampère κατάφερε να εκφράσει ποσοτικά τις παρατηρήσεις του Oersted, θέτοντας τα πρώτα θεμέλια της μαθηματικής θεωρίας του Ηλεκτρομαγνητισμού. Η πρώτη λογική εικασία που τον απασχόλησε, ήταν ότι εφόσον οι ρευματοφόροι αγωγοί επιδρούν σε μαγνητικές βελόνες, θα πρέπει να αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους. Την ιδέα αυτή, αν και για πολλούς ερευνητές ήταν αυτονόητη και δεν χρειαζόταν περαιτέρω έρευνα, θέλησε να επιβεβαιώσει πειραματικά. Την προσπάθειά του στήριξε ο σύγχρονος και φίλος του Arago και έτσι, σε λίγες μόνο ημέρες, πραγματοποίησε τέσσερα σημαντικά πειράματα με τα οποία απέδειξε την προαναφερθείσα αλληλεπίδραση και ταυτόχρονα κατάφερε να μετρήσει την αντίστοιχη δύναμη, συσχετίζοντάς την με τα ρεύματα, τα σχήματα και τις σχετικές θέσεις των δύο ρευματοφόρων αγωγών.

Ampere και Arago

Mεταξύ της 18ης Σεπτεμβρίου και της 2ης Νοεμβρίου 1820, έδωσε μια σειρά διαλέξεων στην Γαλλική Ακαδημία, όπου παρουσίασε τις ανακαλύψεις του στον ηλεκτρο-μαγνητισμό. 

Στους μήνες που ακολούθησαν ο Ampère εργάστηκε για την τελειοποίηση της θεωρίας του.

• Όρισε τη σχέση μεταξύ της διεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος και της απόκλισης της μαγνητικής βελόνης και 
• έδειξε ότι δύο παράλληλα σύρματα που διαρρέονται από ρεύμα έλκουν ή απωθούν το ένα το άλλο, όταν τα ρεύματα ρέουν στην ίδια ή σε αντίθετη κατεύθυνση αντίστοιχα.

Το φθινόπωρο του 1820, η συνεργασία των Γάλλων Jean-Baptiste Biot (1774–1862) και Félix Savart (1791–1841) αποδίδει καρπούς και ανακοινώνεται ο νόμος που περιγράφει το μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ένα στοιχειώδες τμήμα ρευματοφόρου αγωγού (Νόμος Biot-Savart).

Το ίδιο έτος (1820), ο Arago ανακάλυψε ότι ένα σύρμα διαρρεόμενο από ηλεκτρικό ρεύμα έλκει ρινίσματα σιδήρου ενώ τόσο ο ίδιος όσο και ο Ampère διαπίστωσαν ότι ένα συρμάτινο ελικοειδές που διαρρέεται από ρεύμα, είναι ικανό να μαγνητίσει μία ράβδο μαλακού σιδήρου, αν τυλιχτεί γύρω από αυτήν. Έτσι, o Ampère κατάφερε να διακρίνει, αλλά και να επαληθεύσει πειραματικά, την ισοδυναμία της «μαγνητικής δράσης» ενός μόνιμου μαγνήτη ή μίας μαγνητικής βελόνης, με αυτήν ενός ρευματοφόρου κυλινδρικού σπειροειδούς (σωληνοειδούς).

Οι ηλεκτρομαγνήτες του Sturgeon

Παρά τα επιτεύγματα αυτά των Ampère και Arago, η κατασκευή του πρώτου Ηλεκτρομαγνήτη, το 1824, πιστώνεται στον φυσικό και εφευρέτη William Sturgeon (1783-1850), o οποίος διαπίστωσε ότι η τοποθέτηση ενός πυρήνα μαλακού σιδήρου στο εσωτερικό σωληνοειδούς αυξάνει δραματικά την ένταση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου. Ο πρώτος τεχνητός ηλεκτρομαγνήτης του Sturgeon ήταν κατασκευασμένος από 18 σπείρες γυμνού, χάλκινου καλωδίου τυλιγμένες χαλαρά γύρω από έναν σιδηροπυρήνα σε πεταλοειδές σχήμα. Για να προστατεύσει το σύρμα από βραχυκύκλωμα, κάλυψε τον σίδηρο με βερνίκι. 

Αργότερα, ο Ampère εξήγησε τον μαγνητισμό υλικών όπως ο σίδηρος, εισάγοντας την ιδέα ότι σε κάθε μόριο περιέχεται ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα, από το οποίο διέρχεται ρεύμα. Η μαγνήτιση μπορούσε να προκύψει με τον προσανατολισμό των μορίων του υλικού, υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου. Αυτή του η ιδέα αποδείχθηκε προφητική και θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ο πρόδρομος της θεωρητικής σύλληψης του ηλεκτρονίου.

Andre Marie Ampère. Ένας εκ των
θεμελιωτών του ηλεκτρομαγνητισμού.

Αυτή, ακριβώς, η βαθιά κατανόηση του φυσικού τρόπου με τον οποίο συμβαίνουν τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα, βοήθησε τον Ampere να αναπτύξει έναν τρόπο ποσοτικού υπολογισμού των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που ήταν ταυτόχρονα εμπειρικά επαληθεύσιμος και μαθηματικά προγνωστικός. Έτσι λοιπόν, με αυστηρούς μαθηματικούς υπολογισμούς, κατάφερε να αναπαραστήσει στην γλώσσα των μαθηματικών τα αποτελέσματα των πειραμάτων του και να καταλήξει σε μία εξίσωση για την ασκούμενη Ηλεκτρομαγνητική Δύναμη, μεταξύ δύο τμημάτων ρευματοφόρων αγωγών^[2]. Η σχέση αυτή που ήταν αρκετά πολύπλοκη, παρέχοντας ωστόσο μία ικανοποιητική ερμηνεία των παρατηρήσεων, δημοσιεύτηκε το 1822.

Το αποκορύφωμα της σπουδαίας συνεισφοράς του Ampere στην κατανόηση και ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού, ίσως αποτελεί η διατύπωση, το έτος 1826, του νόμου που φέρει το όνομά του, ∫Β.dℓ = μ₀Ι, ο οποίος περιγράφει το μαγνητικό πεδίο ρευματοφόρου αγωγού. Μερικές δεκαετίες αργότερα, ο «Νόμος Ampère» επεκτάθηκε, από τον Maxwell, στο «Νόμο Ampère-Maxwell» και συμπεριελήφθηκε στους τέσσερις θεμελιακούς νόμους του Ηλεκτρομαγνητισμού.

Το 1827, έπειτα από σχολαστική επεξεργασία, ο Ampere δημοσίευσε το σπουδαίο έργο του, Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience (Πραγματεία στη Μαθηματική θεωρία Ηλεκτροδυναμικών Φαινομένων, που προκύπτει αποκλειστικά από το πείραμα), στο οποίο παρουσίασε τα πειράματά του.

Ο Siméon Denis Poisson
σε νεαρή ηλικία.

Την ίδια περίπου περίοδο, ο Siméon Denis Poisson, ήρθε αντιμέτωπος με το δύσκολο πρόβλημα του Μαγνητισμού, καταφέρνοντας να αναπτύξει το πρώτο επιτυχημένο μοντέλο για το Μαγνητικό Πεδίο, το οποίο παρουσίασε το 1824, την Μαγνητοστατική. Σύμφωνα με αυτό, και σε πλήρη αναλογία με την Ηλεκτροστατική, το Μαγνητικό Πεδίο παράγεται από «μαγνητικά φορτία» (ή αλλιώς από «μαγνητικούς πόλους»). Ο Μαγνητισμός, επομένως, οφείλεται σε μικρά ζεύγη «βόρειων» και «νότιων» μαγνητικών πόλων.

Το έτος 1827, ο Γερμανός Georg Simon Ohm (1787-1854), καθηγητής εκείνη την εποχή στο Γυμνάσιο Ιησουιτών της Κολωνίας, δημοσίευσε τα αποτελέσματα των 

O Georg Ohm επί το έργον.
Πειραματική διάταξη μέτρησης του ρεύματος
που διαρρέει χάλκινη αγώγιμη ταινία. Το
ρεύμα παράγεται από θερμοζεύγος χαλκού-
βισμουθίου. Η μία ένωση του ζεύγους εμβα-
πτίζεται σε πάγο ενώ η άλλη σε νερό που
βράζει. Λόγω της σταθερής διαφοράς
θερμοκρασίας, η ηλεκτρεργετική δύναμη
είναι σταθερή.

ερευνών του, που είχε ξεκινήσει ήδη από το 1825, χρησιμοποιώντας εξοπλισμό δικής του επινόησης και αφορούσαν στην αγωγιμότητα των μετάλλων και την συμπεριφορά των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Σε εκείνη την δημοσίευση με τίτλο Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (The Galvanic Circuit Investigated Mathematically), περιέχεται ο γνωστός νόμος που περιγράφει την σχέση αναλογίας μεταξύ της ηλεκτρεγερτικής δύναμης, δηλαδή της εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού στα άκρα αγωγού δεδομένης αντίστασης και της έντασης του ρεύματος που τον διαρρέει (Νόμος του Ohm).

Αντίθετα από τις προσδοκίες του ιδίου, η εργασία του αυτή έτυχε ψυχρής υποδοχής και έντονης κριτικής από τους συναδέλφους του, ιδιαίτερα από τον Georg Wilhelm Friedrich Hegel (1770-1831), ο οποίος αμφισβήτησε την αυθεντικότητα των πειραματικών πρακτικών του Ohm. Το γεγονός αυτό τον οδήγησε σε παραίτηση από την θέση του. H αναγνώριση της προσφοράς του Ohm, ήρθε το έτος 1841, με την βράβευσή του από την Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου.

(Συνεχίζεται...)

---------
^[1]Oersted, Christian Hans Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle
^[2]Ampère's Force Law A guide to the electromechanical force produced between two lengths of wire.