V roce 1820 provedl Hans Christian Oersted důležitý experiment, který ukázal, že existuje souvislost mezi elektřinou a magnetismem. Když byl drátem zapnut proud, přiměl jehlu kompasu, aby se otočila tak, že svírala s drátem pravý úhel. Proud vytvořil magnetické pole dostatečně silné na to, aby způsobilo otočení kompasové jehly.
Podklady k experimentu
Již dříve bylo známo, že elektrický proud v drátu má zahřívací účinek a může způsobit, že se drát rozzáří. To ukázalo, že tři jevy – elektřina, zahřívání a svícení – spolu souvisejí.
Vědci se snaží „sjednotit“ zdánlivě odlišné jevy tím, že hledají jejich základní příčiny.
Otázka:
Odpověď: Jak můžeme dokázat, že elektrický proud má ohřívací účinek a může mít za následek i světlo?
Hřejivý účinek proudu.
Bylo také známo, že když blesk, forma elektřiny, udeří do lodi, může to ovlivnit lodní kompas – jeho polarita se může obrátit.
Dotaz: Jaký je účinek elektrického proudu?
Odpověď: Co z toho vyplývá?
Vědci se opírají o důkazy z každodenního života; snaží se je pochopit pomocí experimentů.
Jak lze tuto souvislost prokázat v laboratoři?
Experimentátoři si představovali, že pokud elektrický proud teče podél přímého vodiče, pak magnetické pole, které vytváří, bude mít stejný směr. Umístili tedy jehly kompasu do pravého úhlu k vodiči v domnění, že je proud vychýlí tak, že budou s vodičem rovnoběžné. Neviděli žádný efekt, protože, jak měl ukázat Oersted, magnetické pole vzniká v pravém úhlu k drátu. Předsudky tedy zabránily dřívějším experimentátorům vidět tento efekt. (Všimněte si, že dostupné zařízení – typicky voltaické piloty – by produkovalo jen malý proud, takže efekt by byl v každém případě velmi slabý.)
Experiment: Nastavte kompas směřující na sever-jih; nad něj umístěte drát ležící ve směru východ-západ. Připojte jej k článku 1,5 V. Neměl by se projevit žádný účinek.
Předsudky (dosavadní představy) mohou ztěžovat pokrok.
Oerstedovo myšlení
Oersted si představoval elektrický proud, který „bojuje“ vodičem. Při jeho průchodu tento „konflikt“ vyvolával „teplo“ (nebo infračervené záření, jak je chápeme nyní) a světlo, které se z drátu vyzařovalo. Nemohlo by také vzniknout magnetické pole, které by vyzařovalo pryč?
Jedna myšlenka vede k další, kterou pak můžeme otestovat.
Tázka:
Odpověď: Jak byste nakreslili čáry magnetického pole, abyste znázornili Oerstedovu myšlenku?
Dotaz: Vyzařování z drátu?
Odpověď: Jak by se měla chovat ručička kompasu, pokud je tato myšlenka správná? Dá se očekávat, že bude směřovat radiálně k drátu. Vyzkoušejte si to a magnet to neudělá. Čáry magnetického pole tedy nevyzařují z drátu, kterým prochází proud.“
Oerstedův pokus
Oersted veřejně demonstroval souvislost mezi elektřinou, „teplem“ a světlem. Připojil voltaickou hromádku k platinovému drátu a ukázal, že se zahřívá a svítí.
Při přednášce se mu v hlavě znovu vynořila myšlenka o souvislosti mezi elektřinou a magnetismem. Měl po ruce kompas (pro další experimenty, které hodlal demonstrovat), a tak se rozhodl, že svou myšlenku vyzkouší hned na místě.
Experiment: Uspořádal předchozí pokus, ale s drátem ležícím severojižně nad kompasem, rovnoběžně s kompasovou ručičkou. Zapněte – jehla se otočí tak, aby ležela ve směru východ-západ.
Viz také:
Oerstedův pokus.
Oersted obrátil proud; jehla se pohnula na opačnou stranu.
Efekt, který Oersted a jeho posluchači pozorovali, byl malý; nikoho příliš nenadchl. Oersted si byl vědom, že ostatní vědci byli rozptýleni podobnými nepolapitelnými jevy, a trvalo tři měsíce, než svému objevu věnoval více času.
Vědci často pracují na hranici citlivosti svých přístrojů. Může být nutné techniku značně zdokonalit, než bude možné jev spolehlivě pozorovat.
Co dělal Oersted dál
Oersted ukázal, že magnetické pole kolem vodiče, kterým prochází proud, je kruhové; tj. siločáry jsou kružnice se středem na vodiči.
Experiment:
Magnetické pole způsobené elektrickým proudem ve vodiči.
Dále ukázal, že silnější vodič vyvolává větší účinek. Ukázal také, že materiály umístěné mezi drátem a kompasem nemají žádný účinek.
Dotaz:
Odpověď: Proč? Silnější drát má menší odpor, tedy větší proud. Nemagnetické materiály nemají na magnetické pole žádný vliv.
V červenci 1820 zaslal čtyřstránkový článek, v němž latinsky popsal své výsledky, do několika vědeckých časopisů.
Očekává se, že vědci se o své výsledky podělí co nejdříve, a to zveřejněním v časopisech. V roce 1820 byla latina společným (sdíleným) jazykem, který umožňoval vědcům různých národností vzájemně si porozumět.
Ampere si přečetl Oerstedovu zprávu a během týdne zopakoval pozorování a vypracoval matematickou teorii popisující závislost magnetického pole na síle proudu a vzdálenosti od vodiče.
V zásadě jsou vědecké výsledky kontrolovány jinými vědci, kteří pokusy opakují, aby zjistili, zda dostanou stejné výsledky.
Oersted pozoroval a popsal experimentální jev. Ampere ho posunul dál tím, že napsal matematickou rovnici, která ho vysvětluje.
Tázka: Oersted ukázal, že elektrický proud má kolem sebe magnetické pole. Jaké praktické aplikace se z této myšlenky vyvinuly?
Odpověď:
Více o Oerstedovi
Oersted založil Dánskou společnost pro šíření přírodních věd, která měla za cíl prezentovat vědecké myšlenky široké veřejnosti. Oersted hrál také klíčovou roli při založení Dánské technické univerzity, jejímž záměrem bylo zlepšit vědecký základ inženýrství.
Mnoho vědců se snaží sdílet svou práci s širším publikem. Mohou také usilovat o sdílení technologických přínosů svých objevů. Rok 1820, kdy učinil svůj velký objev, označil za nejšťastnější rok svého života.
Vědci mohou mít ze své práce velkou radost.
V roce 1802 zveřejnil italský právník Gian Domenico Romagnosi zprávu o pozorování podobném Oerstedovu. Jeho článek však vyšel v novinách a vědecká komunita jej nepřevzala. Nezdá se, že by Romagnosi na svá předběžná zjištění navázal.
V dějinách vědy existuje mnoho příkladů „předběžných tvrzení“. V praxi se uznání obvykle dostane tomu, kdo publikuje pečlivý, podrobný a opakovatelný popis svých pozorování v době, kdy jsou ostatní vědci na tuto myšlenku připraveni, a na místě, kde ji budou číst a brát vážně.
Poděkování
Jsme vděčni Davidu Sangovi, autorovi této případové studie.