Впервые связь между электрическими и магнитными явлениями установил Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году, проведя известный опыт. Согласно наблюдению при включении тока в проводнике расположенная рядом магнитная стрелка устанавливалась перпендикулярно проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. Простая магнитная стрелка компаса указывала на направление силовых линий магнитного поля проводника. На основании эксперимента были сделаны выводы, что силовые линии являются замкнутыми, образуют окружности и лежат в перпендикулярной плоскости оси проводника.
Известно, что физика наука экспериментальная, поэтому вопрос о точности измерений имеет первостепенное значение. Рассмотрим три систематических погрешности, допущенные в классическом эксперименте Эрстеда.
Во-первых, стрелка компаса при включении тока поворачивалась на угол 90 градусов отклоняясь от направления магнитного поля Земли. Погрешность обусловлена тем, что в таком положении на стрелку действует магнитное поле Земли с максимальным моментом.
где Pм – магнитный момент стрелки. Для уменьшения погрешности при проведении измерений следует располагать стрелку компаса так, чтобы угол был равен 0, тогда момент от магнитного поля Земли будет равен нулю. Для этого следует располагать горизонтальный проводник перпендикулярно силовым линиям магнитного поля Земли в направлении восток-запад, вместо направления север-юг.
Во-вторых, при измерениях использовалась небольшая магнитная стрелка без шкалы делений. Погрешность стрелки туристического компаса длинной 4 см составляет 5-10°. Применение в измерениях длинной магнитной стрелки от буссоли повышает точность измерений до 0,5°.
В-третьих, применялись слабые токи. Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током, описывается уравнением:
где b – соответственно кратчайшее расстояние до проводника, а I – ток в проводнике. При слабых токах значение индукции невелико и сравнимо с уровнем внешних магнитных полей. Следовательно, необходимо увеличить величину тока в проводнике до максимальных значений, тем самым обеспечив высокий уровень индукции, при котором влияние внешних магнитных полей становится пренебрежительно мало.
Определенно Ханс Кристиан Эрстед провел свой эксперимент с низким качеством, допустимым в то время. Только в наше время такие погрешности уже не следует допускать.
Проведем уточненный эксперимент, при котором выявленные погрешности измерения сведены к минимуму и изучим любопытные результаты уже в следующей статье.