Hans Christian Oersted teki vuonna 1820 tärkeän kokeen, joka osoitti, että sähkön ja magnetismin välillä oli yhteys. Kun johtimeen kytkettiin virta, se sai kompassineulan kääntymään niin, että se oli suorassa kulmassa johtimeen nähden. Virta oli synnyttänyt riittävän voimakkaan magneettikentän, joka sai kompassineulan kääntymään.
Kokeen tausta
Tiedettiin jo aiemmin, että johdossa kulkevalla sähkövirralla on lämmittävä vaikutus ja se voi saada johdon hehkumaan. Tämä osoitti, että kolme ilmiötä, sähkö, lämmitys ja valaistus, olivat yhteydessä toisiinsa.
Tutkijat pyrkivät ”yhdistämään” näennäisesti erilaiset ilmiöt löytämällä niiden taustalla olevat syyt.
Kysymys:
Vastaus: Katso koe
Virran lämmittävä vaikutus.
Tiedettiin myös, että kun salama, joka on eräs sähkön muoto, iski laivaan, laivan kompassi saattoi muuttua – sen napaisuus saattoi kääntyä.
Kysymys:
Vastaus: Mitä tämä viittaa?
Vastaus: Mitä tämä viittaa? Sähkön ja magnetismin välillä on yhteys.
Tutkijat nojautuvat jokapäiväisestä elämästä saatuihin todisteisiin; he pyrkivät ymmärtämään todisteita kokeiden avulla.
Miten tämä yhteys voitiin osoittaa laboratoriossa?
Kokeentekijät kuvittelivat, että jos sähkövirta kulkisi suoraa johtoa pitkin, sen synnyttämä magneettikenttä olisi samansuuntainen. Niinpä he asettivat kompassineulat suorassa kulmassa johtoon nähden ja ajattelivat, että virta poikkeuttaisi niitä niin, että niistä tulisi johdon suuntaisia. He eivät havainneet mitään vaikutusta, koska, kuten Oersted osoitti, syntyvä magneettikenttä on suorassa kulmassa lankaan nähden. Ennakkokäsitykset estivät siis aiempia kokeilijoita näkemästä vaikutusta. (Huomattakoon, että käytettävissä olevat laitteet – tyypillisesti volttipaalut – tuottaisivat vain pienen virran, joten vaikutus olisi joka tapauksessa ollut hyvin heikko.)
Koe: Aseta kompassi osoittamaan pohjois-eteläsuuntaan; aseta sen yläpuolelle johto, joka makaa itä-länsisuunnassa. Kytketään 1,5 V:n kennoon. Vaikutusta ei pitäisi näkyä.
Ennakkokäsitykset (olemassa olevat ajatukset) voivat vaikeuttaa edistymistä.
Oerstedin ajattelu
Oersted kuvitteli sähkövirran ”kamppailevan” langan läpi. Virtauksen kulkiessa tämä ”ristiriita” synnytti ”lämpöä” (tai infrapunasäteilyä, kuten nyt ymmärrämme sen) ja valoa, joka säteili poispäin johdosta. Eikö siitä voisi syntyä myös magneettikenttä, joka säteilee poispäin?
Yksi ajatus johtaa toiseen, jota voidaan sitten testata.
Kysymys:
Vastaus: Miten piirtäisit magneettikenttäviivat edustamaan Oerstedin ajatusta?
Vastaus: Miten piirtäisit magneettikenttäviivat esittämään Oerstedin ajatuksen? Säteittäen ulos johtimesta.
Kysymys: Miten kompassineulan pitäisi käyttäytyä, jos tämä ajatus pitää paikkansa?
Vastaus: Sen voisi olettaa osoittavan säteittäisesti lankaan nähden. Kokeile sitä, ja magneetti ei tee näin. Magneettikentän linjat eivät siis säteile virtaa johtavasta langasta.
Oerstedin koe
Oersted antoi julkisen demonstraation sähkön, ”lämmön” ja valon välisestä yhteydestä. Hän kytki voltaisen paalun platinajohtimeen ja osoitti, että se kuumeni ja hehkui.
Kun hän luennoi, hänen ajatuksensa sähkön ja magnetismin välisestä yhteydestä nousi uudelleen hänen mieleensä. Hänellä oli käden ulottuvilla kompassi (muita kokeita varten, joita hän aikoi demonstroida), joten hän päätti testata ideansa siinä ja siinä.
Koe: Järjestetään edellinen koe, mutta niin, että lanka makaa kompassin yläpuolella pohjois-eteläsuunnassa, kompassineulan suuntaisesti. Kytke päälle – neula pyörii itä-länsisuuntaan.
Katso myös:
Oerstedin koe.
Oerst käänsi virran; neula liikkui toiseen suuntaan.
Oerstedin ja hänen yleisönsä havainnoima vaikutus oli vähäinen; kukaan ei ollut kovin vaikuttunut. Oersted oli tietoinen siitä, että muita tiedemiehiä olivat häirinneet samankaltaiset vaikeasti havaittavat ilmiöt, ja kesti kolme kuukautta, ennen kuin hän käytti enempää aikaa havaintoonsa.
Tiedemiehet työskentelevät usein instrumenttiensa herkkyyden rajoilla. Tekniikkaa saatetaan joutua hienosäätämään huomattavasti, ennen kuin ilmiö voidaan havaita luotettavasti.
Mitä Oersted teki seuraavaksi
Oersted osoitti, että magneettikenttä virtaa johtavan langan ympärillä oli ympyränmuotoinen; eli voimaviivat ovat ympyröitä, joiden keskipisteenä on lanka.
Koe:
Magneettikenttä, joka johtuu sähkövirran kulkemisesta johtimessa.
Oersted osoitti lisäksi, että paksumpi johdin tuotti suuremman vaikutuksen. Hän osoitti myös, että langan ja kompassin väliin sijoitetuilla materiaaleilla ei ollut vaikutusta.
Kysymys:
Vastaus: Miksi? Paksummalla langalla on pienempi vastus, joten suurempi virta. Ei-magneettisilla materiaaleilla ei ole vaikutusta magneettikenttään.
Heinäkuussa 1820 hän lähetti 4-sivuisen latinankielisen paperin, jossa hän esitteli tuloksensa useisiin tieteellisiin aikakauslehtiin.
Tutkijoilta odotetaan, että he kertovat tuloksistaan mahdollisimman pian julkaisemalla ne lehdissä. Vuonna 1820 latina oli yhteinen (jaettu) kieli, jonka avulla eri kansallisuuksia edustavat tiedemiehet pystyivät ymmärtämään toistensa töitä.
Ampere luki Oerstedin raportin ja oli viikon kuluessa toistanut havainnot ja kehittänyt matemaattisen teorian, joka kuvasi, miten magneettikenttä riippuu virran voimakkuudesta ja etäisyydestä johtimeen.
Periaatteessa tieteelliset tulokset tarkistavat muut tutkijat, jotka toistavat kokeet nähdäkseen, saavatko he samat tulokset.
Oersted oli havainnut ja kuvannut kokeellisen ilmiön. Ampere vei sitä pidemmälle kirjoittamalla matemaattisen yhtälön sen selittämiseksi.
Kysymys: Oersted oli osoittanut, että sähkövirralla on magneettikenttä ympärillään. Mitä käytännön sovelluksia tästä ajatuksesta kehitettiin?
Vastaus: Sähkömagneetit, moottorit, dynamot, muuntajat jne.
Lisätietoa Oerstedista
Oersted perusti Tanskan luonnontieteiden levittämisyhdistyksen, jonka tarkoituksena oli esitellä tieteellisiä ajatuksia suurelle yleisölle. Oersted oli myös avainasemassa Tanskan teknillisen yliopiston perustamisessa, jonka tarkoituksena oli parantaa tekniikan tieteellistä perustaa.
Monet tiedemiehet pyrkivät jakamaan työnsä laajemman yleisön kanssa. He saattavat myös pyrkiä jakamaan löytöjensä teknologiset hyödyt. Hän kuvaili vuotta 1820, jolloin hän teki suuren löytönsä, elämänsä onnellisimmaksi vuodeksi.
Tiedemiehet voivat saada suurta mielihyvää työstään.
Italialainen lakimies nimeltä Gian Domenico Romagnosi julkaisi vuonna 1802 kertomuksen Oerstedin havaintoa muistuttavasta havainnosta. Hänen artikkelinsa ilmestyi kuitenkin sanomalehdessä, eikä tiedeyhteisö tarttunut siihen. Romagnosi ei näytä seuranneen alustavia havaintojaan.
Tiedehistoriassa on monia esimerkkejä ”ennakkoväitteistä”. Käytännössä tunnustuksen saa yleensä se, joka julkaisee huolellisen, yksityiskohtaisen ja toistettavissa olevan selostuksen havainnoistaan ajankohtana, jolloin muut tiedemiehet ovat valmiita ajatukseen, ja paikassa, jossa se luetaan ja otetaan vakavasti.
Kiitos
Olemme kiitollisia David Sangille, tämän tapaustutkimuksen kirjoittajalle.