Ampre din nou in actualitate ?

O serie de rezultate experimentale pareau, pana nu demult, de neinteles in cadrul teoriei electromagnetice clasice. Ele pot fi insa explicate facand apel la o formula descoperita de Ampre in urma cu 180 de ani, "uitata" insa ulterior.

Sa incercam o privire in trecut. In iulie 1820, Hans Christian Oersted constata ca acul unei busole este deviat atunci cand aceasta este asezata in vecinatatea unui circuit electric. Acest fapt aparent banal, era dovada incontestabila a legaturii dintre fenomenele electrice si cele magnetice. La inceputul lunii septembrie a aceluiasi an, Andr-Marie Ampre participa la Academia de Stiinte din Paris la o sedinta in cadrul careia Franois Arago reface experienta lui Oersted. Incitat e cele vazute Ampre reuseste in doar cateva zile de lucru intens sa elaboreze o teorie completa a interactiunilor magnetice a curentilor electrici.

Desigur, descoperirea lui Oersted, a interesat multi alti cercetatori. Experienta a fost refacuta si multe ipoteze au fost lansate in privinta efectelor magnetice ale curentilor sau asupra efectelor electrice ale magnetilor. Daca existenta unei legaturi intre cele doua categorii de fenomene era certa, modalitatea de integrare a lor nu era deloc clara. Este magnetismul o consecinta a electricitatii sau electricitatea este un efect al magnetismului ? Cunostintele din acea vreme nu permiteau un raspuns definitiv acestei intrebari. Cei mai multi inclinau sa dea prioritate magnetismului, cunoscut de mai mult timp, pur si simplu pentru ca pare natural sa explici fenomenele noi pe baza celor vechi. Acestia gandeau ca deviatia acului magnetic, se datora magnetizarii conductorului parcurs de curent si ca urmare forta exercitata ar fi de natura magnetica.

Ampre alege ideea contrara. Pentru el primara este forta electrica, iar magnetismul provine din aceasta. Aceasta presupunere sa dovedit extrem de inspirata, el reusind sa puna bazele electrodinamicii intr-un timp foarte scurt. A inceput prin a reface experienta lui Oersted, gasind insa si un procedeu prin care sa evite influenta magnetismului terestru. In acest caz el constata ca acul busolei se orienteaza perpendicular pe directia curentului. Descopera in continuare ca nu exista nici o deosebire intre curentul electric care trece printr-un conductor metalic, si cel care trece prin baterie, asa cum se credea pana atunci. Tot acum el inventeaza galvanometrul, instrument utilizat si in zilele noastre, sesizeaza ca pozitia acului busolei poate indica sensul curentului si formuleaza in acest scop regula numita apoi "du bonhomme d'Ampre".

Urmadu-si consecvent ideea de inceput dupa care primordiala este forta electrica, el considera ca magnetismul este un caz particular de fenomen electric. El presupune ca magnetii isi datoreaza proprietatile unor curenti electrici circulari, in plane perpendiculare pe axa magnetilor. Plecand de la acest model ( magneti constituiti din mici curenti circulari ), prevede ca un fir conductor in forma de spirala, parcurs de curent electric, se va comporta ca un magnet in forma de bara. Dupa ce verifica experimental acest lucru, da conductorului de aceasta forma numele de solenoid. Toate aceste idei, descoperiri si inventii au fost transmise Academiei la 18 septembrie 1920 ( Arago refacuse experienta la 4 septembrie ).

In perioada urmatoare Ampre studiaza interactiunea dintre doua conductoare rectilinii, paralele, apropiate unul de altul si parcurse de curenti electrici. Descopera repede ca doi curenti de acelasi sens se atrag, iar cei de sensuri contrarii se resping. Il preocupa gasirea unei expresii pentru forta de interactiune dintre curenti. Ampre credea ca o asemenea lege ar constitui cheia electromagnetismului, deoarece interactiunile dintre curenti si magneti sau dintre magneti sunt asimilabile interactiunii dintre curenti.

Simultan, Jean-Baptiste Biot cauta si el o formula fundamentala a electromagnetismului. El era insa partizanul ideii magnetizarii curentilor. In final cei doi propun aproape in acelasi timp cate o formula. Plecand de la premise opuse acestea sunt bineinteles foarte diferite. Cea propusa de Ampre parea mai generala si mai riguroasa. Totusi istoria nu o va retine

Sa vedem insa ce spune aceasta lege extrem de riguros elaborata. Ea da o formula de calcul pentru forta care se manifesta intre doua elemente infinitezimale de curent. Aceasta este de forma:

(In acea perioada nu se cunostea structura substantei, nu stia de existenta electronului si      pentru necesitati matematice, Ampre descompune curentii in portiuni minuscule.) Aceasta este practic de aceeasi forma cu cea data de Newton pentru gravitatie sau cu cea a lui Coulomb din electrostatica, cu deosebirea ca in cazul curentilor nu se poate lucra punctual, deoarece elementele de curent, chiar infinitezimale fiind, au o directie si un sens bine determinat. Este important de precizat ca legea lui Ampre este in mod fundamental o relatie matematica. Ea nu tine seama de ceea ce este de fapt curentul electric, nu face decat sa cuantifice ceea ce a rezultat din experienta. De aceea Ampre era convins ca aceasta lege va ramane valabila, orice s-ar fi descoperit mai tarziu cu privire la natura electricitatii. Interesant este ca aceasta relatie include un caz particular surprinzator. Daca cele doua elemente de curent sunt coliniare, forta dintre ele este de respingere. Ca urmare intr-un fir parcurs de curent apar forte interne longitudinale repulsive. Problema care apare este ca in orice conductor metalic legaturile dintre molecule sunt atat de puternice incat efectul respingerii longitudinale nu poate fi observat. Ampre imagineaza un experiment, in care un element mobil se poate deplasa intr-un conductor lichid ( mercur ) si pune in evidenta aceasta forta de respingere longitudinala (vezi figura).

Experimental, niciodata legea lui Ampre nu a fost pusa in dificultate pana in prezent. Faptul ca ea a fost uitata se datoreaza aparitiei unor teorii mai generale, mai cuprinzatoare. Pana acum nu am amintit nici despre campul magnetic, nici despre cel electric, nici despre fenomenul de inductie electromagnetica si asta pur si simplu pentru ca electromagnetismul asa cum il cunoastem astazi este departe de cel din vremea lui Ampre. Vom aminti in continuare cateva etape in dezvoltarea ulterioara a electromagnetismului.

La 11 ani de la descoperirea lui Oersted, Michael Faraday descopera inductia electromagnetica. Ulterior Frantz Neumann propune o teorie matematica a fenomenului pe baza celei a lui Ampre, numita teoria Ampre-Neumann, inlocuita insa destul de repede de o noua conceptie despre modul in care curentii si magnetii interactioneaza intre ei. Apare conceptul de camp. Nu se mai spune ca magnetii si curentii interactioneaza instantaneu si la distanta, se spune ca un magnet ( sau un curent ) produce in jurul lui o modificare a proprietatilor spatiului, numita camp magnetic si ca asupra unui curent aflat in acest camp va actiona o forta perpendiculara pe directia campului si pe cea a curentului. Aceasta forta, numita forta Laplace, corespunde, in limbajul campurilor, celei data de Ampre. In pofida introducerii notiunii de camp, lucrurile erau inca destul de complicate. In 1865 James Clerck Maxwell reuseste sa faca ordine in electromagnetism. Cele patru celebre ecuatii ale lui Maxwell stabilesc in mod clar, relatiile intre campurile electrice si cele magnetice si permit interpretarea tuturor fenomenelor electromagnetic.

Desi nu se bucura, in randurile marelui public de celebritatea lui Newton sau a lui Einstein, Maxwell este unul din gigantii fizicii, avand contributii de exceptie si in alte domenii ale acestei discipline. In afara de elaborarea celor patru ecuatii el are o serie de lucrari care au revolutionat fizica. Rezolvand propriile ecuatii a gasit ca energia electromagnetica se propaga sub forma de unde transversale, constituite dintr-un camp electric si unul magnetic care se genereaza reciproc. Viteza acestor unde, calculata de el, fiind practic aceeasi cu cea a luminii, il fac sa introduca ipoteza ca aceasta este de fapt o unda electromagnetica. Ipoteza existentei undelor electromagnetice a fost dovedita experimental abia douazeci de ani dupa aceea, cand Hertz reuseste sa produca unde electromagnetice prin metode electrice. In plus teoria lui Maxwell, continea premisele ideilor lui Einstein si nu a avut nevoie de nici o modificare pentru a fi in acord cu teoria relativitatii.

La sfarsitul secolului trecut Hendrik Lorentz adapteaza ecuatiile lui Maxwell pentru microcosmos. De fapt electromagnetismul cuprinde astazi forta Lorentz, care este echivalentul pentru particule incarcate in miscare in camp magnetic, a fortei Laplace dintre curenti, sau a fortei lui Ampre dintre elementele de curent. In prezent electromagnetismul este unul din domeniile cele mai bine cunoscute ale fizicii , care dispune de un sistem explicativ complet, iar aplicatiile practice sunt nenumarate.

Toate acestea au facut ca renumele lui Ampre sa fie eclipsat de succesul teoriei campurilor de la sfarsitul secolului XIX. Totusi Maxwell avea sa scrie mai tarziu: "Studiul experimental prin care Ampre a stabilit legea interactiunii dintre curenti este una din cele mai reusite incercari din stiinta. Totul se reduce la o formula care va ramane formula fundamentala a electrodinamicii." Ultima afirmatie se va dovedi insa a nu fi adevarata. Formula lui Ampre nu a rezistat ecuatiilor lui Maxwell. Trebuie spus ca teoria lui Ampre are neajunsuri serioase. Ea ignora campurile, se limiteaza la conductori metalici, in plus ea presupune o actiune la distanta, contrar celor descoperite ulterior. Pe de alta parte formula lui Ampre este greoi de aplicat pentru circuite in intregul lor, datorita necesitatii insumarii efectelor date de toate elementele de curent. In sfarsit ce semnificatie fizica ar putea avea elementele de curent, avand in vedere structura atomica a substantei ? Cu toate acestea, desi legea lui Laplace da acelasi rezultat ca si formula lui Ampre in cazul a doua circuite, componenta longitudinala, din interiorul unui conductor a disparut cu totul in cazul celei dintai. Fara aceasta particularitate, cu siguranta, electrodinamica lui Ampre ar prezenta doar un interes istoric. Exact aceasta particularitate a facut ca de la o vreme ea sa revina in actualitate.

O serie de fizicieni afirma ca desi formulele Laplace si Ampre dau aceleasi rezultate pentru forta de interactiune dintre doi curenti, ele nu sunt echivalente pentru ceea ce se intampla in interiorul unui conductor, numai cea de-a doua incluzand si respingerea longitudinala. Or aceasta forta longitudinala exista, fiind dovedita de mai multe fapte experimentale. In anii 60 Jan Nasiłowski observa ruperea conductoarelor parcurse de curenti de mare intensitate. Nici o teorie nu permitea o explicatie convenabila a acestor ruperi. S-au invocat mecanisme complicate legate de incalzirea firelor, dar nici caracterul exploziv, nici starea fragmentelor nu confirmau aceasta ipoteza. (Exista si alte fenomene observate experimental care pot fi explicate simplu pe baza fortei electrodinamice longitudinale. ) Peter Graneau a efectuat masuratori riguroase ale tensiunilor din asemenea conductoare, care confirma legea lui Ampre. Tot el arata de ce aceasta respingere longitudinala nu poate fi evidentiata in conditii obisnuite. Printr-o modelare pe calculator, el obtine pentru un conductor lung de 100 m, cu sectiunea de 1 cm² si strabatut de un curent cu intensitatea de 1000 A ( care este deja o valoare imensa ), o tensiune de aproximativ 1 N, ceea ce este extrem de putin. Pana relativ recent, se parea ca teoria clasica a electromagnetismului, altfel o teorie extrem de bine pusa la punct, este in imposibilitate de a explica existenta acestei forte ( In 1997 se pare ca Lars Johansson reuseste pe baza teoriei lui Maxwell sa prezica existenta ei ).

Este extrem de interesant faptul ca o teorie veche si cu multe carente da rezultate acolo unde teorii mult mai bine puse la punct au esuat mult timp. Explicatia consta in faptul ca aveam de-a face cu o lege empirica, construita pe masuratori, plecand de la experiente realizate pe circuite reale, fara nici o presupunere sau modelare matematica.