W 1820 roku Hans Christian Oersted przeprowadził ważny eksperyment, który pokazał, że istnieje związek między elektrycznością i magnetyzmem. Kiedy prąd został włączony przez przewód, spowodował obrót igły kompasu tak, że znalazła się ona pod kątem prostym do przewodu. Prąd wytworzył pole magnetyczne wystarczająco silne, aby spowodować obrót igły kompasu.
Kontekst eksperymentu
Wiedziano już, że prąd elektryczny w przewodzie ma działanie ogrzewające i może powodować świecenie przewodu. Pokazało to, że trzy zjawiska: elektryczność, ogrzewanie i oświetlenie są ze sobą powiązane.
Naukowcy dążą do „zjednoczenia” pozornie różnych zjawisk poprzez znalezienie ich podstawowych przyczyn.
Pytanie: Jak możemy wykazać, że prąd elektryczny ma działanie ogrzewające, a jego skutkiem może być również światło?
Odpowiedź: Zobacz eksperyment
Ogrzewający efekt prądu.
Wiedziano również, że gdy piorun, forma elektryczności, uderzył w statek, kompas statku może zostać naruszony – jego biegunowość może zostać odwrócona.
Pytanie: Co to sugeruje?
Odpowiedź: Istnieje związek między elektrycznością i magnetyzmem.
Naukowcy czerpią dowody z życia codziennego; starają się je zrozumieć poprzez eksperymenty.
Jak można było zademonstrować ten związek w laboratorium?
Eksperymentatorzy wyobrazili sobie, że jeśli prąd elektryczny płynie wzdłuż prostego przewodu, to wytwarzane przez niego pole magnetyczne będzie w tym samym kierunku. Umieścili więc swoje igły kompasu pod kątem prostym do przewodu, myśląc, że zostaną odchylone przez prąd tak, że staną się równoległe do przewodu. Nie zauważyli żadnego efektu, ponieważ, jak miał wykazać Oersted, wytwarzane pole magnetyczne jest prostopadłe do drutu. Tak więc uprzedzenia uniemożliwiły wcześniejszym eksperymentatorom dostrzeżenie tego efektu. (Zauważ, że dostępny sprzęt – stosy woltaiczne, zazwyczaj – produkowałby tylko niewielki prąd, więc efekt byłby w każdym przypadku bardzo słaby.)
Doświadczenie: Ustaw kompas skierowany na północ-południe; umieść nad nim drut, leżący na wschód-zachód. Podłącz do ogniwa 1,5 V. Nie powinno być żadnego efektu.
Prekoncepcje (istniejące idee) mogą utrudniać postęp.
Myślenie Oersteda
Oersted wyobraził sobie prąd elektryczny „walczący” przez przewód. Podczas przepływu, ten „konflikt” dał początek „ciepłu” (lub promieniowaniu podczerwonemu, jak je teraz rozumiemy) i światłu, które wypromieniowało się z drutu. Czy nie mogłoby to również skutkować powstaniem pola magnetycznego, które promieniowałoby dalej?
Jeden pomysł prowadzi do drugiego, który może być następnie przetestowany.
Pytanie: Jak narysowałbyś linie pola magnetycznego, aby przedstawić ideę Oersteda?
Odpowiedź: Promieniście wychodzące z drutu.
Pytanie: Jak powinna zachowywać się igła kompasu, jeśli ta idea jest poprawna?
Odpowiedź: Można by oczekiwać, że będzie wskazywać promieniście do drutu. Spróbuj, a magnes nie robi tego. Zatem linie pola magnetycznego nie promieniują z przewodu przewodzącego prąd.
Doświadczenie Oersteda
Oersted demonstrował publicznie związek między elektrycznością, „ciepłem” i światłem. Podłączył stos woltaiczny do platynowego drutu i pokazał, że stał się on gorący i świecił.
Podczas wykładu w jego umyśle odżyła myśl o związku między elektrycznością i magnetyzmem. Miał pod ręką kompas (do innych eksperymentów, które zamierzał zademonstrować), więc postanowił sprawdzić swój pomysł tam i wtedy.
Doświadczenie: Ustawić poprzedni eksperyment, ale z przewodem leżącym na północ-południe nad kompasem, równolegle do igły kompasu. Włącz – igła obróciła się tak, że leżała na wschód-zachód.
Zobacz także:
Doświadczenie Oersteda.
Oersted odwrócił prąd; igła poruszyła się w drugą stronę.
Efekt zaobserwowany przez Oersteda i jego publiczność był niewielki; nikt nie był pod wielkim wrażeniem. Oersted był świadomy, że inni naukowcy byli rozproszeni przez podobne nieuchwytne zjawiska i minęły trzy miesiące, zanim poświęcił więcej czasu na swoje odkrycie.
Naukowcy często pracują na granicy czułości swoich instrumentów. Technika może wymagać znacznego dopracowania, zanim zjawisko będzie można wiarygodnie zaobserwować.
Co Oersted zrobił dalej
Oersted wykazał, że pole magnetyczne wokół przewodzącego prąd drutu jest kołowe; tzn. linie sił są okręgami, wyśrodkowanymi na drucie.
Doświadczenie:
Pole magnetyczne wywołane prądem elektrycznym w drucie.
Potem wykazał, że grubszy drut daje większy efekt. Wykazał również, że materiały umieszczone pomiędzy drutem a kompasem nie miały żadnego wpływu.
Pytanie: Why?
Answer: Grubszy drut ma mniejszy opór, a więc większy prąd. Materiały niemagnetyczne nie mają wpływu na pole magnetyczne.
W lipcu 1820 roku wysłał 4-stronicową pracę przedstawiającą jego wyniki, po łacinie, do kilku czasopism naukowych.
Oczekuje się, że naukowcy podzielą się swoimi odkryciami tak szybko, jak to możliwe, poprzez publikację w czasopismach. W 1820 roku łacina była powszechnym (wspólnym) językiem, który pozwalał naukowcom różnych narodowości rozumieć wzajemnie swoje prace.
Ampere przeczytał raport Oersteda i w ciągu tygodnia powtórzył obserwacje i opracował teorię matematyczną opisującą, jak pole magnetyczne zależy od natężenia prądu i odległości od drutu.
Zasadniczo wyniki badań naukowych są sprawdzane przez innych naukowców, którzy powtarzają eksperymenty, aby zobaczyć, czy otrzymują te same wyniki.
Oersted zaobserwował i opisał zjawisko doświadczalne. Ampere posunął się dalej, pisząc równanie matematyczne, aby je wyjaśnić.
Pytanie: Oersted wykazał, że prąd elektryczny ma wokół siebie pole magnetyczne. Jakie praktyczne zastosowania miała ta idea?
Odpowiedź: Elektromagnesy, silniki, dynamo, transformatory itp.
Więcej o Oerstedzie
Oersted założył Duńskie Towarzystwo Upowszechniania Nauk Przyrodniczych, towarzystwo mające na celu przedstawienie idei naukowych ogółowi społeczeństwa. Oersted odegrał również kluczową rolę w założeniu Technical University of Denmark, z zamiarem poprawy naukowych podstaw inżynierii.
Wielu naukowców dąży do dzielenia się swoją pracą z szerszą publicznością. Mogą oni również dążyć do dzielenia się technologicznymi korzyściami ze swoich odkryć. Opisał rok 1820, rok swojego wielkiego odkrycia, jako najszczęśliwszy rok swojego życia.
Naukowcy mogą czerpać wielką przyjemność ze swojej pracy.
W 1802 roku włoski prawnik o nazwisku Gian Domenico Romagnosi opublikował relację z obserwacji podobnej do obserwacji Oersteda. Jego artykuł ukazał się jednak w gazecie i nie został podjęty przez społeczność naukową. Nie wydaje się, aby Romagnosi kontynuował swoje wstępne ustalenia.
W historii nauki istnieje wiele przykładów „wcześniejszych twierdzeń”. W praktyce, uznanie zwykle trafia do osoby, która publikuje staranny, szczegółowy i powtarzalny opis swoich obserwacji, w czasie, gdy inni naukowcy są gotowi na ten pomysł, i w miejscu, gdzie będzie on czytany i traktowany poważnie.
Podziękowania
Jesteśmy wdzięczni Davidowi Sangowi, autorowi tego Studium przypadku.
.