Коллектив авторов - История электротехники
Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явлений ярко проявились поразительные способности А. Ампера.
Он впервые узнал об опытах Г.Х. Эрстеда на заседании Парижской академии наук, где их повторил во время своего сообщения Д.Ф. Араго. Вместе с восхищением А. Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений. И ровно через неделю 18 сентября 1820 г. А. Ампер выступает на заседании академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем почти подряд — неделю за неделей (заседания Парижской академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.
В одном из писем А. Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».
Поразительна логика его обобщений: если ток — это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до А. Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили А. Амперу теоретически обобщить результаты своих исследований и сформулировать известный закон, носящий его имя.
Рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма.
Отметим прежде всего, что А. Ампером впервые были введены термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление движения «положительного электричества».
Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием тока в проводнике, А. Ампер сформулировал правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правило пловца».
Рис. 2.9. Станок Ампера 1 — подвижная рамка; 2 — неподвижный проводникОсобенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами. 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.
Открыв взаимодействие круговых проводников с током, А. Ампер начал исследование взаимодействия линейных проводников с токами. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 2.9), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное. Серия опытов этого рода позволила А. Амперу открыть закон взаимодействия линейных проводников с токами: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления А. Ампер предложил назвать электродинамическими в отличие от электростатических явлений.
Обобщая результаты своих экспериментальных работ, А. Ампер установил математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов подобно тому, как это сделал Ш. Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу А. Ампер решил аналитическим приемом, исходя из принципов И. Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом А. Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый труд А. Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.
Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826–1827 гг.
Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, А. Ампер утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, А. 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. Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.
А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако А. 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 А. Ампера. Потребовалось некоторое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.
Значение работ А. Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями А. 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.
Выдающийся вклад А. Ампера получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «Ампер» [1.6].
2.6. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов [1.4–1.6].
В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770–1831 гг.), занимаясь исследованием возможности получения электрического тока посредством двух разнородных металлов без участия какой-либо жидкости, открыл новое явление, заключавшееся в следующем. К висмутовой пластине 7–2 (рис. 2.10) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовавшегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогревании одного из спаев магнитная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока. Так, например, если прибор был установлен в направлении плоскости магнитного меридиана, то при нагревании спая 2 северный полюс магнитной стрелки отклоняется на восток. Это отклонение показывает, что в металлах идет ток, имеющий направление над стрелкой справа налево, а под нею слева направо.
Если вместо нагревания спая 2 охлаждать спай 7, то в контуре возникает ток такого же направления, как и в предыдущем случае. Т.И. Зеебек правильно установил, что причина появления электрического тока в этих опытах связана с теплотой, сообщаемой спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» (позднее этот термин был заменен на «термоэлектричество»).
Рис. 2.10. Схема опыта ЗеебекаФундаментальное исследование вопроса о направлении термоэлектрического тока произвел французский ученый Антуан Сезан Беккерель (1788–1878 гг.). Ему удалось расположить металлы в термоэлектрический ряд, в котором каждый предыдущий металл дает ток через нагретый спай к каждому последующему. А.С. Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возникнуть не только при использовании разнородных металлов, но и при различии в структуре или плотности проводника с одной и другой стороны от нагреваемого места.
В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности получали применение только для измерения температур. Как известно, благодаря успехам современной науки и техники в области полупроводников созданы предпосылки для разработки более экономичных термоэлементов.
В 1834 г. французским ученым Жаном Шарлем Пельтье (1785–1845 гг.) были обнаружены более широкое проявление термоэлектрических действий и их обратимость: при прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение теплоты в зависимости от направления тока. В 1838 г. явление Ж.Ш. Пельтье было изучено в Петербурге академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804–1865 гг.), который, пользуясь этим методом, заморозил воду, окружавшую место спая. Позднее были созданы специальные устройства — термопары, применяемые для измерения температур, лучистой энергии и др.
