Анатолий Томилин - Мир электричества
Читатель наверняка помнит идею Жюля Верна: послать на Луну корабль с людьми, выстрелив им из огромной пушки. Идея неприемлемая в связи с гигантскими перегрузками, которые не вынесет человек. А если без людей? Расчеты показывают, что в принципе такая установка может быть создана, если заменить пороховую пушку электромагнитной.
И вот в Канберре лаборатория национального Австралийского университета, работая совместно с американскими лабораториями в Лос-Аламосе и Ливерморе (Калифорнийский университет), а также совместно с фирмой «Вестингауз», построила «рельсовую пушку». Это некое подобие простейшего электромагнитного ускорителя, состоящего из двух проводящих ток рельсов, вмонтированных в трубу, напоминающую артиллерийский ствол. В систему посылаются импульсы электрического тока. Между рельсами быстро движется плазменный разряд – электрическая дуга, подталкивающая вперед «снаряд» из непроводящего материала. Последнее достижение – выталкивание «снаряда» (им являлся пластмассовый кубик массой 3 г) со скоростью до 10 км/с. Этого уже достаточно, чтобы вывести груз на орбиту. К сожалению, выйдя из канала ствола, «снаряд» мгновенно разрушился под воздействием силы, создающей ускорение, которое в миллионы раз превзошло ускорение свободного падения.
В 1974 году изобретатели предложили электрическую пушку – «Массовый ускоритель» для доставки на Землю с Луны минералов, руд, богатых алюминием. Позже теоретики предложили построить подобные же «массовые ускорители» на Земле и использовать их для запуска космических аппаратов. Только длина таких «пушек» должна быть несколько километров.
Георг Ом – просьба не путать со знаменитым братом
В широко известном сочинении конца XIX века «Очерк истории физики» Фердинанда Розенбергера в одном из примечаний написано: «Георг Симон Ом (не смешивать с его братом Мартином Омом, знаменитым математиком)…» Прекрасный пример исторической несправедливости современника. Кто из нас знает сегодня «знаменитого математика» Мартина Ома, получившего известность в первой половине XIX века в связи с построением арифметики натуральных чисел? Пожалуй, только специалисты. Тогда как имя Георга Ома знакомо всем.
В Кёльне, на одной из боковых улочек, отходящих от площади перед знаменитым собором, на глухой стене бывшей церковной школы, выкрашенной пронзительной охрой, висит металлическая плита с барельефом и надписью, гласящей, что здесь учительствовал Г. С. Ом. Скромная черная доска на глухой стене. Между тем именно Георг Симон Ом дал в руки ученым один из первых количественных законов электричества.
Что мы называем законом природы? Прежде всего устойчивое, повторяющееся и очень существенное соотношение между наблюдаемыми явлениями. Законы природы независимы от нашего желания и вообще от сознания людей. Они определяют, как одно явление взаимодействует с другим, и какой результат при этом должен получиться. Все в нашем устойчивом мире детерминировано, все подчинено определенным правилам. Мы их еще далеко не все знаем. И вот открытие (точнее – познание) законов природы является главной задачей естествознания.
В физике электрических явлений нужда количественной оценки разнообразных действий гальванизма ощущалась давно, и многие пытались найти непреложные правила – законы. Это и сумел сделать Ом.
Георг Симон Ом родился 16 марта 1787 года в городе Эрлангене, в семье ремесленника-слесаря. Отец его был достаточно умным человеком, чтобы внушить своим сыновьям любовь к учению. Поэтому, окончив гимназию, Георг поступил в Эрлангенский университет.
Георг Симон Ом (1787–1854)
Биографы туманно намекают на то, что учебу он оставил, не закончив курса. Но с другой стороны, он вроде бы некоторое время был приват-доцентом в том же университете и преподавал математику… Тут есть какая-то неувязка. Но оставим ее на совести историков.
Доподлинно же известно, что позже, до 1817 года, он был школьным учителем и кочевал из школы в школу, из одного города в другой. В промежутках между уроками учитель математики Георг Симон Ом занимался весьма увлекательным делом – физическими исследованиями, в том числе опытами с гальваническими батареями.
В то время многие физики пытались выяснить, как зависит действие гальванической батареи от качества и от рода металла, из которого сделана проволока, замыкающая ее полюсы. Сделать это было нелегко, поскольку электродвижущая сила любой гальванической батареи быстро падала. Восстанавливалась она лишь постепенно. Такая неустойчивость в работе очень мешала исследователям. И потому, как только Зеебек сконструировал термоэлемент, дававший ток постоянной силы, проблема была решена. Ому о термоэлементе рассказал немецкий физик Иоганн Поггендорф – издатель журнала «Аннален дер фюзик», бывший в курсе всех научных новостей своего времени.
В 1826 году в своей крохотной лаборатории в Кёльне Георг Ом соорудил элемент, состоящий из висмутового стержня, впаянного между двумя медными проволоками. Опустив один из спаев в кипящую воду, а другой в мелко наколотый лед, он приступил к опытам. Скоро Ом пришел к выводу, что электрический ток ведет себя подобно водному потоку в наклонном русле: чем больше перепад уровней и свободнее путь, тем поток сильнее. Так же и с током: чем больше электродвижущая сила батареи и меньше сопротивление току на его пути, тем больше сила тока. Применяя в своих опытах проводники из разных материалов, разной длины и поперечного сечения, Ом установил, что сила тока в цепи при постоянном источнике электродвижущей силы (он называл это «разностью электро-скопических сил») обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В 1827 году из печати вышла большая монография Ома «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Омом». Однако местные физики не слишком благосклонно отнеслись к результатам его работ, поскольку в опытах с вольтовым столбом применение простого правила Ома не согласовывалось с результатами эксперимента.
В других странах его работы пока известны не были. Профессор прикладной физики Парижской школы искусств и ремесел Клод Серве Пуйе в октябре 1831 года сообщил Парижской академии, что открыл количественное соотношение между электродвижущей силой, силой тока и сопротивлением. При этом он ни словом не упомянул Ома. Правда, позже вынужден был признать, что читал сочинение немецкого физика о гальванической цепи и, пожалуй, согласен с тем, что Георг Ом сформулировал этот закон первым. Благодаря этой довольно скандальной истории о работах Ома узнали и другие французские физики. Узнали о его работах и в Англии.
В 1842 году Лондонское королевское общество наградило Ома почетной золотой медалью Коплея и избрало его своим членом. Георг Ом оказался вторым немцем, удостоенным этой чести. Чарлз Уитстон, изобретатель широко распространенного измерительного прибора, «моста сопротивлений», а также другой измерительной аппаратуры, писал, что «наконец-то столь долго господствовавшие туманные представления количества и напряженности уступили место определенным понятиям сил и сопротивлений, установленным Омом».
В 1849 году, когда Ому уже исполнилось шестьдесят два года, его пригласили в Мюнхенский университет на должность экстраординарного профессора. И лишь за два года до смерти произвели в ординарные профессоры. Всю жизнь Ом был великим тружеником. И всю жизнь его преследовали неудачи. Он сделал ряд прекрасных работ по акустике и установил важный закон о восприимчивости человеческим ухом простых гармонических колебаний, но труды эти признания не получили. Лишь через восемь лет после смерти Ома Гельмгольц смог доказать справедливость его выводов. В конце 40-х годов Георг Симон Ом задумал создать теорию молекулярной физики, но успел написать и издать всего один том. В 1853 году его наградили орденом Максимилиана «За выдающиеся достижения в области науки». Наконец-то признание пришло к нему. Но в 1854 году внезапный удар лишил его возможности насладиться почестями, исследовать и жить.
Правило Ома оказалось настоящим законом. Все теоретические и опытные проверки показали его точность. И сегодня закон Ома, гласящий, что в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, является одним из трех китов, на которых стоит электротехника.
Через двадцать семь лет после смерти Ома Электротехнический съезд в Париже предложил назвать его именем общепринятую единицу сопротивления.
Два закона студента Кирхгофа
Студенту Кёнигсбергского университета Густаву Кирхгофу только-только исполнился двадцать один год, когда он, занимаясь в семинаре у профессора Франца Неймана, получил доступ в лабораторию физики. Он хотел проверить некоторые теоретические предположения, которые высказывал в своей научной работе, и приступил к самостоятельным исследованиям. Нельзя сказать, что это были такие уж сложные исследования. Важно было правильно сформулировать и поставить задачу. А потом, обобщив результаты экспериментов, попытаться увидеть закономерности и вывести обобщенное умозаключение. Кирхгоф исследовал, как течет ток через плоскую пластинку, как при этом распределяется электричество по участкам электрической цепи и какие правила позволят находить распределение токов в разветвляющихся проводниках.
