Hans Christian Oersted (Ørsted) - Odkrycie elektromagnetyzmu (1820)

Wielkie odkrycia zazwyczaj są zaskakujące, choć niekoniecznie całkiem niespodziewane. Jeszcze w XVIII wieku uporządkowano, jak się wydawało, zjawiska elektryczne, tzn. elektrostatyczne, oraz magnetyczne. Były to dwie różne siły, do obu stosować się miało prawo Coulomba: siła oddziaływania między ładunkami (biegunami magnetycznymi) jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Ładunki (bieguny) jednoimienne się odpychają, różnoimienne - przyciągają. Magnetyzm różni się od elektryczności m.in. tym, że bieguny magnetyczne występują zawsze w różnoimiennych parach. Matematycznie prawo Coulomba przypominało Newtonowskie prawo powszechnego ciążenia, co sprawiało, że fizykom mogło się wydawać, iż coś głębokiego zrozumieli. W istocie prawo Coulomba dla biegunów magnetycznych jest tylko grubym przybliżeniem, ponieważ nie ma w przyrodzie niczego takiego jak punktowe bieguny magnetyczne (w odróżnieniu od punktowych ładunków, które naprawdę istnieją, np. elektron czy kwarki). 

W roku 1800 Alessandro Volta zbudował baterię elektryczną: stos Volty. Składała się ona z ułożonych naprzemian płytek cynkowych i srebrnych przedzielonych elektrolitem. Szybko zauważono, że baterie takie mogą wywoływać elektrolizę, a więc procesy chemiczne. Niezbyt dobrze rozumiano, jak działają takie baterie, ale uważano je za coś w rodzaju samoładującej się butelki lejdejskiej. Owa elektryczność galwaniczna, stanowiła modny temat badań, przyczyniając się do różnych pozornych odkryć łączących wszystko ze wszystkim, jak np. mesmeryzm. Spekulowano też nieraz na temat związku zjawisk elektrycznych i magnetycznych, ale niczego konkretnego i mierzalnego nie udawało się ustalić.

I tu pojawia się postać profesora z Kopenhagi Hansa Christiana Oersteda. W chwili swego odkrycia miał już czterdzieści dwa lata i spory dorobek w różnych dziedzinach chemii, medycyny i fizyki. Był w swoim kraju uczonym cenionym, sekretarzem Królewskiej Akademii Nauk, lecz Dania znajdowała się na uboczu i prace Oersteda nie wzbudzały przedtem większego zainteresowania. Ich tematyka była mocno rozstrzelona, w roku 1820 oprócz pracy magnetycznej ogłosił też artykuł o piperynie, alkaloidzie występującym w pieprzu, dziś stosowanym do odchudzania. Jednak do historii przeszedł jako autor jednej pracy o magnetycznym działaniu prądu elektrycznego. Ten czterostronicowy artykuł po łacinie, wywołał sensację, błyskawicznie przełożono go na najważniejsze języki: francuski, niemiecki, angielski i włoski, i ukazał się w niezliczonych czasopismach w całej uczonej Europie. Doświadczenia Oersteda były nie tylko powtarzane, ale zainspirowały licznych uczonych, z których dwaj najważniejsi to André Marie Ampère i Michael Faraday. Czterdziestopięcioletni Ampère był do tej pory matematykiem, teraz jednak zajął się intensywnie fizyką i w ciągu najbliższych miesięcy i lat na podstawie swoich eksperymentów zbudował nową teorię: elektrodynamikę. Nazywano go potem Newtonem elektryczności. Młodszy o pokolenie Faraday umiał pracować tylko eksperymentalnie, nie miał wykształcenia matematycznego, ale to on miał dokonać w 1831 r. drugiego najważniejszego odkrycia łączącego elektryczność i magnetyzm: zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Od tamtej pory zjawiska elektryczne i magnetyczne należało traktować jako jedną dziedzinę badań. Takie połączenie dwóch dużych obszarów nauki jest zawsze zdarzeniem doniosłym, gdyż ukazuje nowe perspektywy: przestaliśmy widzieć oddzielnie, zaczęliśmy dostrzegać ukryte dotąd powiązania. 

Praca Oersteda zainicjowała więc głębokie przemiany, do których sam Duńczyk nie był jednak mentalnie gotowy. Zatytułował swą pracę Eksperymenty na temat wpływu konfliktu magnetycznego na igłę magnetyczną. Prąd elektryczny w jego rozumieniu był rozchodzącym się ciągiem dekompozycji i rekompozycji dwóch fluidów elektrycznych. Ten ciągły konflikt elektryczny prowadzić miał do wydzielania ciepła, światła, a także do efektów magnetycznych. Rynsztunek myślowy Oersteda nie był dość elastyczny, aby mógł on lepiej zrozumieć to, co odkrył. Dlatego jego istotny wkład w naukę ogranicza się do tej jednej pracy, w której cenna była warstwa eksperymentalna, a nie teoretyczna interpretacja. Do poszukiwań związku między elektrycznością i magnetyzmem zachęciła Oersteda filozofia, romantyczna niemiecka Naturphilosphie, wedle której wszystkie zjawiska miały charakter proteuszowy i były skutkiem ścierania się rozmaitych sił. W tym przypadku filozofia przysłużyła się fizyce, co zdarza się od czasu do czasu, choć niezbyt często. 

Konkretem, który odkrył Oersted, było działanie prądu elektrycznego płynącego w drucie na igłę magnetyczną. Pierwszy raz spostrzegł to zjawisko zimą podczas pokazowych doświadczeń w trakcie wykładu. Wrócił do swego spostrzeżenia latem 1820 r. Zastosował baterię z dwudziestu ogniw miedziano-cynkowych z rozcieńczonym kwasem azotowym i siarkowym jako elektrolitem. Z początku używał cienkiego drutu, chcąc, aby rozżarzył się on pod wpływem prądu: gdy konflikt elektryczny jest silny, można spodzieać się, że i zjawiska magnetyczne się pojawią. Drut ułożony był na linii północ-południe, a pod nim albo nad nim umieszczał Oersted igłę magnetyczną. Gdy prąd nie płynął, igła ustawiała się równolegle do drutu, gdy prąd zaczynął płynąć, odchylała się, przy czym kierunek odchylenia zależał od tego, czy drut był umieszczony nad igłą, czy pod nią. Zauważył później, że większy efekt dają użycie grubszego drutu. Fakt ten przeczył oczekiwanemu przez Oersteda związkowi między wielkością konfliktu magnetycznego a efektem magnetycznym.

Z dzisiejszego punktu widzenia prąd w drucie jest źródłem pola magnetycznego (pojęcie wprowadzone przez Faradaya). Wielkość pola zależy od natężenia prądu i odległości od drutu. Użycie grubszego drutu sprawia, że opór jest mniejszy i natężenie prądu większe (prawa Ohma jeszcze nie było), co zwiększa pole magnetyczne. Pole drutu jest prostopadłe do jego kierunku i dodaje się wektorowo do ziemskiego pola magnetycznego. Igła kompasu ustawia się w kierunku tego wypadkowego pola (dokładnie rzecz biorąc jego poziomej składowej, ponieważ igła może poruszać sie tylko w płaszczyźnie poziomej).

André Marie Ampère bardzo szybko zbadał różne konfiguracje drutów, odkrył także wzajemne oddziaływanie przewodników z prądem, na co Oersted nie wpadł. Opisał to także matematycznie, nadając tej dziedzinie kształt niemal klasyczny. Niemal - gdyż nie znał pojęcia pola magnetycznego i traktował te siły jako oddziałujące na odległość, zgodnie ze wzorcem Newtonowskim w grawitacji.