История развития техники носит междисциплинарный характер

Вид материала

Документы

Подобный материал:

• Аннотации, 608.83kb.
• Программа курса «Научное творчество и организация нирс», 107.72kb.
• Круглый стол "Философско-методологические проблемы когнитивных и компьютерных наук", 17.43kb.
• I. Понятие «гендер». История возникновения, специфика, междисциплинарный характер, 370.66kb.
•         Проблема адаптации является одной из тех общезначимых областей научных знаний,, 329.31kb.
• Темы рефератов История развития интегральных микросхем. Факторы прогресса технологии, 23.95kb.
• Программа дисциплины теория и методика обучения географии опд. Ф. 04. 2 Цели и задачи, 420.27kb.
• Примеры тем учебно-исследовательских работ старшеклассников, носящих междисциплинарный, 128.56kb.
• Московский общественный научный фонд образы власти в политической культуре России, 3175.1kb.
• План краткий исторический обзор методических систем в философии науки и техники Реальность, 190.01kb.

Рис. 1.1- Вольтов столб

Алессандро Вольта

(1745 – 1827)
течение 1792 – 1795 гг. Вольта исследовал те явления, которые Гальвани назвал «животным» электричеством. Он установил, что даже очень незначительные электрические силы способны вызывать сильные содрогания всех членов лягушки, особенно лап. «Электрическая сила, – писал Вольта, – не могущая дать ни малейшей искры, не оказывающая действия на чувствительные беннетовы электроскопы, производит сильнейшее содрогание в лапках. Лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр». Этим Вольта правильно указал на то, какую роль играла лягушка в опытах Гальвани. Источником электричества, по мнению Вольта, является контакт двух разнородных металлов.

Таким образом, Вольта создал теорию «контактного» электричества. Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого – на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, Вольта назвал электровозбудительной или электродвижущей силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами).

Произведя исследование этого вопроса при помощи созданного им весьма чувствительного прибора – электроскопа с конденсатором, Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены друг от друга.

С современной точки зрения теория контактного электричества, предложенная Вольта, была ошибочной. Высказав мысль о там, что для получения электрического тока достаточно лишь простого контакта между разнородными металлами, Вольта стал на антинаучную позицию о возможности непрерывного получения энергии в виде гальванического тока без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория контактного электричества нашла многих сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели Вольта к выводу, что непрерывный электрический ток может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников – металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Опыты Вольта завершились построением в 1800 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор известен под названием вольтова столба (рис. 1.1).

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака – на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами, и их общее действие будет взаимно уничтожаться.

Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода – суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющей пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородные металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению – окисляются, тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

Вольта предложил, кроме столба, еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока – так называемую чашечную батарею (рис. 1.2), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (роль влажной суконной прокладки столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались медная 1 и цинковая 2 пластины. Кроме предложенных Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

А
Д. Ф. Араго

(1786 – 1853)
раго, написавший биографию Вольта, называет вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб – это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений.



Рис. 1.2. Чашечная батарея Вольта


Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока, крупнейшие ученые первой половины XIX в. – Петров, Дэви, Ампер, Фарадей – широко применяли вольтов столб для своих опытов.


1.3. Обнаружение и изучение действия электрического тока


Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Поэтому рассматриваемый период в истории электричества характеризуется главным образом обнаружением и изучением различных действий электрического тока. Исследования электрического тока, производившиеся в большом масштабе в первые годы XIX в., привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных его действий.

В марте 1800 г. Вольта сообщил о своих работах президенту Лондонского королевского общества, и вскоре члены этого общества Карлейль и Никольсон произвели ряд опытов с вольтовым столбом, которые привели их к открытию нового явления: при прохождении тока через воду имело место выделение газовых пузырьков; исследовав выделявшиеся газы, они правильно установили, что это кислород и водород. Таким образом, впервые был осуществлен электролиз воды. Вскоре после опубликования работ Карлейля и Никольсона (июль 1800 г.) появилась в немецком научном журнале «Annalen der Physik» статья немецкого физика И. Риттера, также осуществившего разложение воды током. После открытия действия тока на воду ряд ученых заинтересовался вопросом о том, к каким результатам приведет пропускание тока через другие жидкости. В том же 1800 г. голландский химик Крейкшенк, пропуская ток через раствор поваренной соли, получил на отрицательном полюсе едкий натр, не подозревая, что здесь имела место вторичная реакция: поваренная соль разлагалась на Na и С1, причем натрий, жадно соединяясь с водой, образовывал едкий натр.

Указанные эксперименты положили начало исследованию химических действий гальванического тока, получивших впоследствии важное практическое применение.

Тепловые действия тока были обнаружены в накаливании тонких металлических проводников и воспламенении посредством искр легко воспламеняющихся веществ. Световые явления наблюдались в виде искр различной длины и яркости.

В 1802 г. итальянский физик Романьози обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводнику, вызывает отклонение свободно вращающейся магнитной стрелки, находящейся вблизи этого проводника. Однако тогда, в первые годы изучения электрического тока, явление, открытое Романьози, имевшее, как впоследствии выяснилось, громадное значение, не получило должной оценки. Только позднее, в 1820 г., когда наука об электричестве достигла более высокого уровня, магнитное действие тока, описанное Эрстедом, стало предметом глубокого и всестороннего изучения.

Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, произведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды академика В. В. Петрова, так как в них впервые была показана и доказана возможность практических применений электричества.

В своих трудах по электричеству Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован. Петров глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. Он писал: «...гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, производящимися с вольтовым столбом как в России, так и за границей, Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. по современной терминологии – источника тока высокого напряжения. Поэтому он добивается перед руководством Медико-хирургической академии, профессором физики которой он состоял, выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В
Рис. 1.3. Схема расположения и соединения элементов в батарее Петрова: 1 – деревянный ящик; 2 – медный кружок; 3 – цинковый кружок; 4 – прокладка; 5 – медные дужки
апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных и цинковых кружков или 2100 медно-цинковых элементов (Петров называл ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис. 1.3). Стенки ящика и разделяющих перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи Петрова составляла 12 м – это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность 60 – 85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,1 – 0,2 А. В. В. Петров вначале производил, как он указывал, уже известные опыты других физиков, а после старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел... никакого известия».

Свои разнообразные опыты Петров подробно описал в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах», которая вышла в СПБ в 1803 г. (рис. 1.4). Это была первая книга на русском языке, посвященная исследованиям в области гальванизма.

Следует отметить, что и за границей не только до выхода в свет книги Петрова, но и в течение двух ближайших десятилетий не появилось ни одного оригинального сочинения, в котором были бы с такой полнотой освещены явления электрического тока.

Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому он в своей книге подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т. п.

В книге Петрова изложены его опыты по электролизу различных жидкостей, исследованию явлений прохождения электрического тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных» явлений, сопровождающих действие электрического тока, изучению тепловых действий тока.

Петров произвел всесторонние исследования свойств созданной им батареи как источника электрического тока. Опираясь на результаты опытов, он подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в гальваническом элементе медь – цинк, и впервые правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Петров также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи. Эти выводы Петрова по существу опровергали «контактную» теорию электричества, однако сам Петров не выступал с таким опровержением.



Рис. 1.4. Титульный лист книги Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах»


Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность в электрической цели – зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника, Он правильно указал на то, что при увеличении сечения проводника ток в нем возрастает. Поэтому Петров является самым ранним среди предшественников Ома, сформулировавшего в 1827 г. известный закон, носящий его имя. Петров установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость (так он называл электрический ток) может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т. е. по современной терминологии при повышении напряжения в цепи.

Наибольший интерес из всех работ Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги «между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого напряжения. Создание им источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Указывая на возможность широкого практического применения электрической дуги, Петров писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают...», что «посредством огня» дуги он превращал окислы различных металлов в «металлический вид». Следовательно, опыты Петрова давали прямое указание на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их окислов.

До В. B. Петрова никто так ясно и четко не указывал на возможность практического применения электричества. Поэтому В. В. Петров является одним из основоположников электротехники.

До Петрова физики не могли наблюдать явления дуги, так как они употребляли небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100 – 200 элементов; э. д. с. таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому X. Дэви удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 12000 элементов. Подробное описание явления электрической дуги Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме (рис. 1.5). Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, Петров внимательно исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы; он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесноугольные, графитовые, марганцевые и др. Петровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 1.6).

Работа Петрова с источником тока высокого напряжения неизбежно привела его к выводу о важном значении изоляции проводов; им было предложено изготовлять электрические проводники, покрытые сургучом или воском. Разработанный Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. Петров пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.




Рис. 1.5. Схема опыта Петрова по наблюдению электрического разряда в вакууме

Рис. 1.6. Схема параллельного соединения электродов, предложенная Петровым



Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд об общности и различии в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выяснить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при современном ему состоянии науки такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимания мысль Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.

Труды Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в. Широкое распространение трудов Петрова в России оказало большое влияние на развитие науки об электричестве, на расширение практических применений электричества. Среди учеников Петрова были талантливый физик и химик С. П. Власов, академик И. X. Гамель, профессор И. Е. Грузинов, С. В. Большой и др.

Первые электрохимические опыты, произведенные вскоре после изобретения вольтова столба, вызвали значительный интерес к этим вопросам. Специальному исследованию электрохимических явлений были посвящены труды английского ученого X. Дэви, имевшие важное значение для практики. Дэви доказал своими опытами несостоятельность мнений, господствовавших в то время среди ученых, что при электролизе воды на одном полюсе получается кислота, а на другом основание. Он показал, что кислоты и основания, получаемые при электролизе, являются продуктами последующих вторичных реакций. Повторив опыты разложения воды в разных условиях (стеклянные, агатовые и золотые сосуды; в воздухе и в атмосфере водорода), Дэви доказал, что пресная вода разлагается при электролизе только на кислород и водород, причем объем водорода, образующегося при этом, вдвое больше объема кислорода. Он установил, что химически чистая вода не поддается электролизу и что электрический ток только разлагает соединения, но не создает никаких новых соединений. Дэви одним из первых высказал правильные взгляды на то, что электрический ток, полученный от вольтова столба, возникает в результате химических процессов между металлами и электролитом.

В 1807 г. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы калий и натрий, ранее не известные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия наглядно иллюстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.

В
Хемфри Дэви

(1778 – 1829)
1802 – 1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета П. И. Страхову, удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока (рис. 1.7). Этим открытием была создана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам.

В 1807 г. профессор Московского университета Ф. Ф. Рейс обнаружил явление, получившее впоследствии название электроосмоса. Явление электроосмоса Рейс обнаружил при следующем опыте (рис. 1.8): в стеклянную U-образную трубку диаметром около 1 см и общей длиной 18 см была залита вода, а самый изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком), так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегородка. В колена трубки вводились платиновые электроды и погружались в воду. После присоединения этих электродов к полюсам вольтова столба около них начинались появляться пузырьки газов в результате разложения воды на кислород и водород. При этом вода начинала сразу подниматься в колене, соединенном с отрицательным полюсом столба, и опускаться в другом колене, проходя под действием тока с
Рис. 1.7. Схема опыта Страхова

Рис. 1.8. Схема опыта Рейса
квозь пористую перегородку. При отключении вольтова столба вода вновь устанавливалась на прежнем уровне. В своих выводах из этих опытов Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электрооомоса в современной технике получило практическое применение, в частности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические явления в гальванических элементах являются первичными, а появление тока есть их следствие, т. е. явление вторичное. Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей все энергичнее стала противопоставляться химическая теория гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана Г. Парротом, считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно за счет окисления металлов, т. е. за счет изменения одного из веществ элемента. М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.


1.4. Изучение действия электрического тока на магнитную стрелку. Разработка основ электродинамики


Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока.

В 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты датского физика Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.

В этом же 1820 г. Араго было обнаружено новое явление – намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней приставали; при выключении тока опилки отставали. Когда Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго дали первое указание на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током.

В процессе своих исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им магнетизмом вращения и заключавшееся в том, что при вращении металлической пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Однако правильное объяснение этого явления было дано Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Био и Саваром закона действия тока на магнит. Пользуясь опытным методом, они установили в 1820 г. следующее: «если неограниченной длины провод с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие провода на любой – южный или северный – магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию последнего до провода».

Французский ученый Лаплас показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важное научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых – Ампера, заложившие основы электродинамики. Ампером был впервые предложен термин «электрический ток» и введено в науку понятие о направлении электрического тока: он предложил считать за направление тока направление движения положительного электричества.

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока, Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил по направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».

О
Андре Мари Ампер

(1775 – 1836)
собенно важное значение имели исследования Ампером взаимодействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях:

если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.



Рис. 1.9. «Станок Ампера» для демонстрации действия прямолинейных токов: 1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник


Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование взаимодействия линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 1.9), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, имеют ли токи одинаковое направление или различное. Серия опытов этого рода позволила Амперу открыть закон взаимодействия линейных токов: «два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются». Обнаруженные явления Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отличие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, Ампер установил математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам.

Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826 – 1827 гг. Математическое выражение закона взаимодействия между двумя элементами тока (рис. 6.10) было выведено Ампером в следующем виде:

,

где dF – сила взаимодействия;

– токи и элементы цепи;

r – расстояние между элементами;

ε – угол между элементами;

– углы, образуемые элементами с прямой, соединяющей их середины.

Уравнение Ампера и современное уравнение взаимодействия электрических токов дают один и тот же результат для замкнутых токов, хотя для элементов проводников оно и неверно.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение; все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Основываясь на тождестве действия круговых токов магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Ампер подчеркивал, что «...эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в .вольтовом столбе… Магнитные явления вызываются исключительно электричеством… нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит». Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным шагом на пути к трактовке природы магнитных явлений.

А
Рис. 1.10. К выводу Ампером математической зависимости силы взаимодействия двух элементов тока
мпером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако Ампер предлагал взять «...столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации предложения Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.

Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.

О
Майкл Фарадей

(1791 – 1867)
ткрытия в области электромагнетизма побудило многих ученых и в том числе М. Фарадея обратиться к исследованию этого явления. Многочисленные эксперименты Фарадея по исследованию взаимодействия проводников с током и магнитов привели его в 1821 г. к открытию явления взаимного вращения магнитов и электрических токов. Он наблюдал, что электрический ток, проходящий по проволоке и проявляющий магнитное действие под прямым углом к направлению тока, может заставить эту проволоку совершать вращение вокруг магнита или может заставить магнит вращаться вокруг проволоки. Устройство, которое применил Фарадей для демонстрации этих действий, было таково (рис. 1.11).



Рис. 1.11. Схема установки Фарадея для демонстрации электромагнитного вращения


Он брал две чашки 1 и 2 с отверстиями в дне для ввода проводников 5 и 6 от батареи; в чашки он наливал ртуть и помещал магниты 3 и 4, из которых первый был подвижным и прикреплялся при помощи нитки к вводной проволоке так, что мог плавать в ртути в положении, близком к отвесному, а его верхушка, выходившая из ртути наружу, могла вращаться вокруг вертикальной оси чашки L. Второй магнит укреплялся неподвижно в вертикальном положении в чашке 2. Между обеими чашками Фарадей помещал медный стержень 7 с отогнутыми концами, из которых один 8 был неподвижен и погружался в ртуть по оси чашки, а ко второму прикреплялся посредством металлической нити подвижной стержень 9 опущенный в ртуть чашки 2. При пропускании тока через цепь начиналось вращение магнита 3 вокруг стержня 5, а стержня 9 – вокруг магнита 4. Этот опыт впервые демонстрировал возможность непрерывного превращения электрической энергии в механическую и являлся наглядной иллюстрацией принципиальной возможности построения электродвигателя.


1.5. Установление законов электрической цепи


По мере углубления исследований электрического тока подготавливаются условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению некоторых количественных отношений.

Как уже отмечалось, еще В. В. Петров в начале XIX в. указал на связь между сечением проводника и протекающим по нему током. В 1821 г. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Г. С. Омом.

Первый этап исследований Ома относился к изучению проводимости проводника, по которому проходит ток. Для этих целей Ом устроил прибор, подобный крутильным весам Кулона; на них (вместо бузиновых шариков, имеющихся в приборе Кулона) была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе, действующем на стрелку. Помещая магнитную стрелку прибора над проводником, расположенным в направлении магнитного меридиана, Ом установил, что угол кручения нити, характеризующий отклоняющее действие тока, оставался постоянным. На основании этих опытов он пришел к выводу о том, что ток в различных участках цепи остается постоянным. Последующими опытами Ом установил, что ток в проводнике прямо пропорционален площади поперечного сечения проводника и обратно пропорционален его длине.

Р
Георг Симон Ом

(1787 – 1854)
езультаты исследований Ома были опубликованы им в 1827 г. в работе «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г. С. Омом».

Исследуя закономерности в электрической цепи, Ом впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоком, при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней. Свой закон Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна длине цепи».

О
Густав Роберт Кирхгоф

(1824 – 1887)
днако закон Ома, несмотря на его многократную проверку, не сразу был признан справедливым. В 1832 г. академик. Э. X. Ленц показал, что закон Ома справедлив и для цепей с индукционными токами. Таким образом, Ленц расширил рамки применимости закона Ома и своими трудами много содействовал тому, что с 40-х годов этот закон получает признание и широко применяется в научных исследованиях и на практике в случаях, когда источник электродвижущей силы питает неразветвленную электрическую цепь.

Между тем на практике нередко приходится применять разветвленные электрические цепи, соединяя в некоторых точках цепи два и более проводников, имеющих различные сопротивления; в этих точках цепи электрический ток разветвляется. В 1847 г. немецкий физик Г. Р. Кирхгоф сформулировал законы, устанавливающие связь между электродвижущими силами, введенными в цепь, токами и сопротивлениями, которые неодинаковы в разных ветвях сложной цепи.


1.6. Первые электрические приборы и устройства


Отклонение магнитной стрелки электрическим током было положено в основу принципа действия первых электроизмерительных приборов.

Вскоре после опубликования брошюры Эрстеда немецкий физик Швейггер обнаружил (1820 г.) усилие действия тока на магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки с током. Это устройство получило практическое применение для обнаружения электрического тока в проводнике и получило название мультипликатора (рис. 1.12).

О
Рис. 1.12. Схема мультипликатора
днако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно друг другу, с полюсами, обращенными в противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Нобили скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувствительный прибор – прообраз гальванометра.



Рис. 1.13. Первые электромагниты Стерджена: 1 – чашечки со ртутью, заменяющие зажимы


Исследование явлений намагничивания железных тел, окруженных спиралью, обтекаемой током, привело в 1825 г. к построению англичанином В. Стердженом первого электромагнита. Этот электромагнит (рис. 1.13) представлял собой стержень из мягкого железа длиной около 30 см и диаметром 12 мм, покрытый лаком; поверх лака располагалась обмотка из 18 витков толстой медной (неизолированной) проволоки. Значительная толщина проволоки создавала возможность иметь большой ток в обмотке. Электромагнит мог удерживать груз около 4 кг. Стерджен установил, что полярность концов железного стержня .меняется при перемене направления тока в обмотке.

Опыты Стерджена были продолжены многими учеными. Вскоре электромагнит получил широкое применение в различных электрических приборах и устройствах.


1.7. Первые опыты применения электрического тока


П
А. Т. Болотов

(1738 – 1833)

Павел Львович Шиллинг

(1786 – 1837)
ервое практическое применение электрический ток нашел в области медицины. Применение электричества (статического) для лечебных целей получило распространение еще до открытия явлений электрического тока, и в разных странах был накоплен опыт в области электролечения. В качестве примера можно привести работы русского ученого А. Т. Болотова, посвятившего вопросам применения электричества для лечебных целей ряд своих сочинений, среди которых наибольший интерес представляет обширный труд «Краткие и на опытности основанныя замечания о електрицизме и о способности електрических махин к помоганию от разных болезней», СПБ, 1803, (рис. 1.14). В этом сочинении описаны различные электростатические машины, созданные Болотовым, и отмечается целесообразность применения электричества в медицине. Болотовым была организована своеобразная электролечебница, через которую в течение 2 лет прошло более 1500 больных.

Изобретение вольтова столба привело к установлению возможности применения электрического тока для лечебных целей, к зарождению гальванотерапии. Большое внимание этим вопросам уделял В. В. Петров, который преподавал физику в Медико-хирургической академии. Применение электрического тока в медицине способствовало усилению интереса к его изучению, содействовало углублению познания свойств электричества.

Среди первых практических применений электричества большое значение для развития электротехники имело применение электричества в военном деле и прежде всего для воспламенения пороховых зарядов. Существовавшие ранее пиротехнические методы воспламенения страдали рядом существенных недостатков, в особенности в случае применения их для взрыва подводных мин.

Первые попытки применения электричества для воспламенения подводных мин относятся к самому началу XIX в., но только в 1812 г. П. Л. Шиллингу удалось решить эту проблему. Им был создан хорошо изолированный проводник – первый подводный электрический кабель и специальное приспособление для воспламенения порохового заряда – электрический запал. Как указывает И. X. Гамель, специально изучавший документы о работах Шиллинга по электровзрыванию, запал Шиллинга воспламенял пороховой заряд «посредством гальванической искры».



Рис. 1.14. Титульный лист книги Болотова


Запал Шиллинга получил высокую оценку со стороны академика Б. С. Якоби, отмечавшего, что «...Шиллинг первый оказал великую услугу, дав уголькам такую форму и устройство, что они могут быть употреблены для этой цели. Весьма остроумное его изобретение относительно установки угольков доставило возможность воспламенять порох почти на всяком произвольном расстоянии, что прежде даже теоретически считалось невозможным. Способ этот совершенно неизвестен за границей...».

Свои опыты над созданием хорошо изолированного проводника Шиллинг закончил в 1811 г. Проводник представлял собой тонкую проволоку, изолированную двумя слоями изоляции: первый слой – шелк, после обвивки слоем шелка проволока пропускалась через специальный смолистый состав; затем все это обвивалось слоем пеньки и вторично пропускалось через тот же смолистый состав.

На основании документальных данных, приведенных И. Гамелем, можно утверждать, что в октябре 1812 г. Шиллинг успешно взрывал на Неве подводные мины с помощью разработанного им электрического запала.

Труды Шиллинга положили начало минной электротехнике, которая в нашей стране получила широкое и самобытное развитие, в частности, благодаря деятельности Б. С. Якоби, М. М. Борескова, В. С. Сергеева и др. Развитие военной электротехники оказало большое влияние на электротехнику вообще, вызвав необходимость создания более совершенных источников тока (например, магнитоэлектрическая взрывная машина (генератор) Б. С. Якоби) и специальных изолированных проводников.


1.8. Краткое заключение


1. Рассматриваемый период в истории науки об электричестве характеризуется главным образом открытием и изучением свойств электрического тока, получение которого стало возможным в результате изобретения вольтова столба (1800 г.).

2. В течение первой четверти XIX в. были обнаружены химические, тепловые, световые и магнитные действия тока и положено начало их исследованию.
   
3. Начало изучению химических действий тока было положено в 1800 г. электролизом воды. Тепловые и световые действия тока (накаливание током проволоки, электрические искры и т. п.) наблюдались многочисленными исследователями.
   
4. Наиболее глубокие исследования тепловых, световых и химических действий тока были произведены академиком В. В. Петровым, построившим крупнейший для своего времени источник тока, открывшим явление электрической дуги (1802 г.) и показавшим возможность практического применения дуги для целей освещения, плавки металлов и др. В. В. Петровым впервые была установлена зависимость тока от площади поперечного сечения проводника, разработан принцип изоляции проволочных проводников и др. Трудами В. В. Петрова были заложены основы новой области знаний – электротехники.
   
5. Важное значение для развития учения об электрическом токе и расширения области его практических применений имели электрохимические исследования, приведшие к получению путем электролиза в чистом виде щелочных металлов калия и натрия, открытию явления электроосмоса, установлению электропроводности земли и воды.
   
6. Расширение электрохимических исследований привело к необходимости разработки теории электрохимических процессов; уже в начале XIX в. создается первая ионная теория электролиза.
   
7. Обнаружение магнитных действий тока (1820 г.) положило начало развитию электромагнетизма. Исследования магнитных проявлений тока привели к разработке Ампером (1820 г.) начал электродинамики, к формированию более прогрессивных воззрений на природу магнетизма. Открытие взаимодействия токов и магнитов являлось предпосылкой к построению электродвигателя.
   
8. Углубление и расширение исследований электрического тока подготовили условия для перехода от качественных наблюдений к установлению некоторых количественных закономерностей в электрической цепи. Основополагающее значение в развитии учения об электрическом токе сыграли законы Ома (1827 г.) и Кирхгофа (1847 г.).
   
9. Изучение магнитных действий тока приводит к построению электромагнита (1825 г.) и первого прибора для обнаружения электрического тока – мультипликатора (1820 г). Отклонение магнитной стрелки током было положено в основу принципа действия первых электроизмерительных приборов.
   
10. Применение электрического тока для лечебных целей и, в особенности, в военном деле способствовало развитию теоретических исследований в области электричества и расширению его практических применений: создаются первые изолированные проводники для подвода тока под водой, разрабатываются специальные электрические генераторы («взрывные машины»).
    
11. Важнейшее значение открытий и изобретений в области электричества и магнетизма, произведенных в первой четверти XIX в., заключается в том, что они подготовили почву для открытия явления электромагнитной индукции и последующего бурного развития электротехники.
    

2. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ДО 70-х ГОДОВ XIX в.


2.1. Открытие явления электромагнитной индукции


Новый и чрезвычайно важный период в истории развития электричества и магнетизма начался после открытия явления электромагнитной индукции (1831 г.). Этот период охватывает около 40 лет развития научной и технической мысли и характеризуется не только громадными достижениями в области науки об электричестве и магнетизме, но и ростом практических применений электричества. Важнейшей научно-теоретической базой дальнейшего развития естествознания стал закон сохранения и превращения энергии. Этот основной закон естествознания мог быть сформулирован только на основе многочисленных предшествовавших достижений физики, химии и других наук. Данные естествознания нового времени показали несостоятельность и недостаточность механистического (механического) материализма. На основе этих новых данных возникло и новое мировоззрение. Этот революционный переворот в мировоззрении явился самым значительным итогом развития науки в рассматриваемый период.

В подготовке закона сохранения и превращения энергии немалую роль сыграло развитие учения об электромагнетизме.

Созданием основ электродинамики была убедительно доказана связь между электрическими и магнитными явлениями. Но эта связь была показана как односторонний процесс; было установлено, что при протекании электрического тока по проводнику вокруг последнего обнаруживаются магнитные действия, проявляющиеся в притяжениях и отталкиваниях стальных предметов, постоянных магнитов или проводников с током. К 20-м годам XIX в. наука и практика убедительно подтвердили закономерность взаимного превращения различных форм энергии – тепловой и механической, электрической и тепловой, химической и электрической. Таким образом, к этому времени наука оказалась подготовленной к тому, чтобы поставить на разрешение задачу нахождения связи обратного характера, т. е. доказательства того, что при определенных условиях механическая энергия может быть превращена в электрическую. Эта проблема нашла свое решение с открытием явления электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции впервые было открыто и подробно описано в 1831 г. выдающимся английским ученым Майклом Фарадеем. Основываясь на открытиях взаимопревращений различных форм энергии, Фарадей пришел к правильному выводу о возможности превращения механической энергии в электрическую. Эту задачу он сформулировал в 1821 г. в своем дневнике следующими словами: «превратить магнетизм в электричество». Фарадей был совершенно уверен в двухсторонней связи этих явлений, но этот факт нужно было доказать экспериментально. В течение последующих лет Фарадей непрерывно производил эксперименты и, наконец, во второй половине 1831 г. он показал, что такое превращение возможно. Эти опыты привели его к открытию «магнитоэлектричества», или индукционного электричества, тождественного по своим свойствам и действиям с гальваническим электричеством, «простым» (т. е. статическим) электричеством и термоэлектричеством. Фарадей вел весьма подробную и точную запись всех своих опытов и работ над превращением магнетизма в электричество; эти материалы включены в большой труд Фарадея, опубликованный под названием «Экспериментальные исследования по электричеству». О результатах этих своих работ Фарадей доложил на заседании Королевского Общества в Лондоне 24 «ноября 1831 г.

Описанию этих опытов посвящена 1-я серия «Экспериментальных исследований по электричеству», в которой показано последовательное развитие экспериментов Фарадея, приведших его в течение августа – сентября 1831 г. к открытию явления электромагнитной индукции. В разделе 1 этой серии, озаглавленном «Индукция электрических токов», Фарадей описывает опыты, показавшие возможность индукции тока током; это явление Фарадей назвал «вольтаэлектрической индукцией». Эксперименты Фарадея последовательно развивались следующим образом.

I. На деревянный цилиндр (рис. 2.1, а) или барабан наматывались две изолированные друг от друга медные проволоки 1 и 2; первая из них соединялась с источником электрического тока 3, а другая – с гальванометром 5; в цепь, в которую включена обмотка 1, вводился прерыватель 4. При замыкании контакта 4 наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр: его стрелка отклонялась в одну сторону. В дальнейшем при непрерывном прохождении тока отклонения стрелки не наблюдалось. Аналогичное явление можно было наблюдать при размыкании цепи, питающей обмотку 1: стрелка в момент размыкания отклонялась, но в противоположную сторону, затем возвращалась в начальное положение и оставалась в покое все время, пока цепь была разомкнута. Результаты этих опытов Фарадей рассматривал как индукцию тока током, но считал индуктированный ток весьма кратковременным, длящимся всего один момент и по своей природе больше напоминающим «электрическую волну, возникающую при разряде обыкновенной лейденской банки», чем ток гальванической батареи. Фарадей полагал, что этот кратковременный индуктированный ток должен обладать способностью намагнитить стальную иглу, хотя его действие на стрелку гальванометра едва заметно.

II. Для проверки этих соображений Фарадей поставил опыт по другой схеме (рис. 2.1, б), которая отличалась тем, что в цепь 2 вместо гальвано-метра включалась небольшая полая спираль 6, намотанная на стеклянную трубку 7, внутрь которой можно было вводить стальную иглу 8. Игла вставлялась внутрь спирали, и ток в цепи 1 замыкался; не размыкая этой цепи, Фарадей вынимал иглу и обнаруживал, что она оказывалась намагниченной. Если в этой схеме сначала замкнуть цепь 1 и пропустить ток, а после этого ввести не намагниченную иглу внутрь спирали и затем разомкнуть контакт 4, то игла, как и в первом случае, оказывается намагниченной, но полярность ее будет противоположной. Этот опыт устранил всякие сомнения в том, что при включении и выключении тока, питающего цепь 1, в цепи 2 наводится электрический ток, обладающий такими же свойствами, как и ток индуктирующий. Кратковременность наводимого тока вначале не позволяла Фарадею обнаруживать некоторые другие действия, например электрохимические или тепловые.



Рис. 2.1. Схемы основных опытов Фарадея, приведших к открытию явления электромагнитной индукции


III. Следующий опыт проводился так: медная проволока была натянута зигзагом на деревянной доске 9 (рис. 2.1, в); другая медная проволока была натянута такими же зигзагами на второй доске 10; проволока 1 соединялась с источником тока, а проволока 2 – с гальванометром. Питание проволоки 1 током производилось непрерывно, и доски перемещались одна относительно другой. Во время сближения обеих досок с проволоками стрелка гальванометра отклонялась в определенную сторону; при удалении досок друг от друга стрелка отклонялась в другую сторону. Если заставить обе проволоки сближаться, а затем удаляться в такт с колебаниями стрелки, то эти колебания становятся весьма значительными, но по прекращении сближения или удаления досок стрелка быстро возвращается в свое начальное положение. При этом было обнаружено, что при сближении досок наведенный ток имел направление, обратное направлению индуктирующего тока, а при удалении – одинаковое с ним направление.

Эти опыты наглядно подтверждали существование индукции электрических токов, но не заключали возможности получить электрический ток с помощью постоянного магнита, т. е., как говорил Фарадей, превратить магнетизм в электричество. Еще при своих опытах над индукцией электрических токов Фарадей обнаружил, что при замене деревянного барабана железным кольцом (рис. 2.1, г), на которое наматываются две проволоки, эффект отклонения стрелки гальванометра во много раз усиливается.

Следует отметить, что в этих опытах Фарадей применил устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора. Дальнейшие опыты Фарадея заключались в следующем.

IV. На картонный цилиндр навивалась медная проволока, концы которой присоединялись к гальванометру 5 (рис. 2.1, д); внутрь спирали по ее оси вводился цилиндр из мягкого железа 11. Два полосовых магнита NS и N'S' были приложены друг к другу разноименными полюсами N' и S, так что получалось некоторое подобие подковообразного магнита; другие два полюса (N и S') прикладывались к концам железного цилиндра так, что он замыкал магнитную цепь. В момент замыкания магнитной цепи стрелка отклонялась, но в дальнейшем при сохранении магнитной цепи в замкнутом состоянии стрелка возвращалась в свое первоначальное положение; при размыкании магнитной цепи она снова отклонялась, но в противоположную сторону, а затем возвращалась в начальное положение. При изменении полярности магнитов направления отклонения стрелки соответственно изменялись на обратные.

Эти опыты непосредственно давали ответ на задачу, которую поставил перед собой Фарадей. Здесь удалось наблюдать появление электрического наведенного тока исключительно в результате действия с постоянными магнитами.

V. Развивая эти исследования, Фарадей заметил, что можно получить явление индукции токов, заменив в предыдущем опыте систему из магнитов и железного сердечника одним магнитом, который может вдвигаться в соленоид или выдвигаться из него (рис. 2.1, е). При перемещении магнита в одном каком-либо направлении стрелка гальванометра 5 отклонялась в одну сторону, при обратном перемещении магнита стрелка отклонялась в другую сторону. В моменты остановки магнита перед переменой направления его движения стрелка гальванометра возвращалась в свое начальное положение.

Не представляло никаких принципиальных трудностей заменить в последнем опыте магнит электромагнитом. Фарадей показал, что если соленоид, по которому проходит обтекаемый ток от гальванического элемента, перемещать внутри другого (коаксиального) соленоида, соединенного с гальванометром, то в цепи этого второго соленоида наводятся ток (рис. 2.1, ж).

Индукцию, которая наблюдается при взаимных перемещениях проводника и магнита, Фарадей назвал «магнитоэлектрической». Однако тут же Фарадей заметил, что принципиальная разница между «вольтаэлектрической» и «магнитоэлектрической» индукцией должна при дальнейшем изучении исчезнуть. Действительно, никакой принципиальной разницы в наблюдавшихся Фарадеем явлениях не было. Все эти явления были впоследствии обобщены одним термином «электромагнитная индукция».

Опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в неизменном магнитном поле. Отсюда вытекает, что одним из способов генерирования нового вида электричества, которое было названо магнитоэлектрическом, являлось перемещение проводника в магнитном поле постоянного магнита. Магнитное поле Фарадей представлял себе как совокупность магнитных силовых линий. Если проводник, перемещаясь в магнитном поле, пересекает магнитные силовые линии, то в нем появляется наведенный ток; если проводник перемещается вдоль силовых линий, не пересекая их, то явление индукции не имеет места. В § 114 своих «Экспериментальных исследований по электричеству» Фарадей пользуется представлением о пересечении «магнитных кривых» и дает весьма пространно выраженное частное правило для определения направления наведенного тока, совпадающее с «правилом правой руки».

В ряде своих последующих экспериментов Фарадей делает попытку осуществить наведение тока посредством магнитного поля Земли.


2.2. Объяснение явления Араго и построение первого электромашинного генератора


Опыты над «магнетизмом вращения», которые производил Араго, были повторены рядом ученых. Это явление объясняли наведением в пластине магнетизма; при этом предполагали, что полюс магнита наводит в ближайшей к себе части пластины магнетизм противоположного себе знака, а в остальных местах рассеянную полярность одноименного знака. Считали, что для вращения подвешенного магнита необходимо, чтобы вращающееся под ним вещество приобретало и теряло магнетизм в течение некоторого промежутка времени, и не мгновенно. Следовательно, в данном случае предполагалось, что возникает какая-то притягивающая сила, заставляющая стрелку и диск вращаться в одну и ту же сторону. Против такого объяснения возражали многие, в том числе и Араго, отмечая факт полного отсутствия притяжения, когда магнит и диск находятся в покое, между тем как наведенный магнетизм должен был еще сохраняться.

На основе открытого явления электромагнитной индукции Фарадей сумел дать научное объяснение явлению Араго. Фарадей совершенно правильно указал, что при вращении медного диска в поле постоянного магнита в диске наводятся токи. Эти токи взаимодействуют с магнитом известным из электродинамики образом. Поскольку индукция имеет место только при взаимных перемещениях проводников и магнитов, то становится совершенно ясным, почему медный диск и магнит не взаимодействуют в состоянии покоя.

Ф
Рис. 2.2. Схема однодискового униполярного генератора Фарадея (диск Фарадея)
арадей усмотрел в опыте Араго весьма большие возможности и в § 83 «Экспериментальных исследований по электричеству» отметил, что рассчитывает получить на основе этого опыта новый источник электричества. Таким образом, Фарадей указывает, что этим своим работам он придавал непосредственную практическую направленность в сторону усовершенствования существовавших тогда способов генерирования электрического тока. Для этого Фарадей произвел много опытов с большим магнитом Королевского общества, завершившихся построением первого электромашинного генератора, так называемого «диска Фарадея», при помощи которого можно было непрерывно генерировать электрический ток. Это устройство таково (рис. 2.2): медный диск располагается между полюсами N и S постоянного магнита так, чтобы магнитные линии проходили через диск перпендикулярно к его плоскости. При вращении диска в магнитном поле в нем наводится ток, проходящий в радиальном направлении. Если на периферии диска и на его центральной части поместить токоприемники в виде скользящих контактов (щеток), то между ними при вращении диска появится разность потенциалов. При замыкании цепи между этими токоприемниками на гальванометр можно наблюдать непрерывное прохождение тока. При перемене направления вращения диска стрелка гальванометра также изменяет направление своего отклонения. Это устройство представляет собой униполярную машину постоянного тока и является прототипом генератора постоянного тока.

Кроме того, в опытах Фарадея, как уже отмечалось, был осуществлен принцип трансформации. Таким образом, в работах Фарадея можно усмотреть истоки электромашинного генератора, электрического трансформатора и электродвигателя. Отсюда ясно, какое исключительное основополагающее значение имели работы Фарадея для последующего развития электротехники.

2.3. Установление закона направления индуктированного тока и исследования электромагнитов


Фарадей в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» указал на отдельные способы определения направления наведенного тока, которые могли быть применены лишь в некоторых частных случаях. Академику Э. X. Ленцу принадлежит установление закона, благодаря которому стало возможным определение направления наведенного тока для всех случаев движения проводников или магнитов. В 1834 г. Ленц опубликовал исследование «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», сущность которого ранее, 29 ноября 1833 г., была им доложена Петербургской Академии наук. Сформулированный им закон, получивший название «закона Ленца», фактически является следствием закона сохранения и превращения энергии. В настоящее время закон Ленца может быть сформулирован в самом общем виде так: «Всякий индукционный электромагнитный процесс направлен таким образом, что стремится противодействовать вызвавшей его причине». В 1833 г. Ленц сформулировал этот закон следующим образом: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Закон Ленца имел, прежде всего, значение в том отношении, что давал непосредственную возможность предвидеть и определять направление наведенного тока; кроме того, этот закон позволил Ленцу сформулировать важный для электротехники принцип – принцип обратимости генераторного и двигательного режимов электрической машины.

В 1838 г. Ленц практически осуществил обратимость электрической машины постоянного тока, заставив ее работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Открытый Ленцем принцип обратимости электрической машины, как известно, является одним из фундаментальных положений электротехники.

В связи с развитием применения электромагнитов оказалось необходимым измерять магнитное действие их сердечников. Особенно важным был этот вопрос потому, что в это время проводились работы по практическому применению электродвигателя Якоби, и возникла необходимость создать возможно более мощный электродвигатель. Решение задачи построения электродвигателей большей мощности связывали с применением более сильных электромагнитов. Исследование этой проблемы вели совместно Э. X. Ленц и Б. С. Якоби; в этой работе был использован баллистический метод измерений, разработанный Ленцем в 1832 г. При измерениях этим методом действие наведенного тока рассматривалось как мгновенный удар, под влиянием которого стрелка мультипликатора отклоняется с определенной скоростью: по теории баллистического гальванометра эта скорость пропорциональна