Коллектив авторов - История электротехники
Открытие явления термоэлектричества явилось существенным вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию закона сохранения и превращения энергии.
Как уже отмечалось, еще В.В. Петров в начале XIX в. указал на связь между поперечным сечением проводника и значением тока в нем. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади поперечного сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789–1854 гг.) [1.6; 2.4].
Первый этап исследований, начатых Г.С. Омом в 1821 г., когда он работал преподавателем математики и физики в г. Кельне, относился к изучению проводимости различных проводников. Значение тока измерялось по магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Ш. Кулона (см. гл. 1), но вместо бузиновых шариков над проводником была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе, действующем на стрелку. Располагая проводник в направлении магнитного меридиана, Г.С. Ом установил постоянство угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи. Г.С. Ом стремился определить проводимость проволок из различных материалов, он убедился во влиянии температуры на проводимость проводников.
Во время проведения опытов Г.С. Ом столкнулся с большими трудностями: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации, механизм работы источников питания был неизвестен, общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало, в научную практику не были введены величины, характеризующие ток в цепи, не было приборов для измерения этих величин. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все это потребовало от Г.С. Ома незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.
На основе многочисленных экспериментов Г.С. Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (т.е. ток) с электровозбуждающей силой (ЭДС) источника и сопротивлением цепи, — это уже была основа закона электрической цепи. Продолжая совершенствовать измерительную установку, Г.С. Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях. С этой целью он внимательно изучает теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками; при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.
В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г.С. Омом» (он также известен под названием «Теоретические исследования электрических цепей»). Закон, носящий его имя, Г.С. Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин»[2] (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи).
Г.С. Ом доказал справедливость формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действию тока. Несколько лет закон Г.С. Ома не получал признания, отчасти потому, что в первых его публикациях были допущены неточности, а также по причине недостаточной известности имени скромного школьного учителя.
Однако после подтверждения правильности закона Г.С. Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Эмилий Христианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801–1874 гг.), а также присуждения Г.С. Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.) его труд по праву занял почетное место. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления была названа «Ом».
Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г.С. Ома, М. Фарадея, Э.Ф. Ленца, требовали более точного количественного описания этих явлений, их математического анализа и разработки расчетных методов, необходимых для решения практических задач, выдвигаемых развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение этих проблем явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824–1887 гг.).
В 1845 г., когда Г.Р. Кирхгофу был всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Г.Р. Кирхгофа, являющиеся фундаментальными законами теоретической электротехники, которые еще при жизни Г.Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко применяются электротехниками всего мира. В последующих трудах Г.Р. Кирхгофа были рассмотрены количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Г.Р. Кирхгоф проявил себя как блестящий исследователь и экспериментатор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения) [1.1; 1.6; 2.5].
2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Большой вклад в современную электротехнику сделал английский ученый Майкл Фарадей, труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [1.1; 1.6; 2.6].
Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповторимая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.
Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г. за исследования в области химии и электромагнетизма М.Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начиная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести, и по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству», М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.
Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили М. Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король экспериментаторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».
Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.
Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также составляли эпоху (достаточно вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.
Рис. 2.11. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея) 1, 2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит; 4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее гальванических элементов; 7 — медный стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводникРаботам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника стоком? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. М. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.11. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.
