ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ (от 1820 до 1830 г.)

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

МАГНИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Уже много раз случалось гальванизму вторгаться в другие области физики, но эти явления либо оставлялись вовсе без внимания, либо недостаточно оценивались. Некоторые действия тока, например химическое разложение, считали само собою понятными, или же, когда не знали, что с ними делать, их дальше вовсе не упоминали. Однако отношение сразу резко изменилось, когда ток оказался способным производить и магнитные действия и даже не оставил в покое стрелки компаса. Самая замкнутая и наиболее узкая область физики, магнетизм с его жидкостями, действующими лишь через железо, была сразу завоевана и замещена гальванизмом. Это открытие повелительно указало даже многим консервативным физикам, что уже пришла пора значительно расширить и обобщить существующие представления о действии электричества, а вместе с тем и о природе сил вообще.

РАННИЕ НАБЛЮДЕНИЯ ЯВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА

Однако, как бы ни было велико впечатление, созданное магнитным действием тока, последнее, в сущности, не было совершенно неожиданным. Уже задолго до этого знали, что сильные электрические искры, например молния, могут намагнитить стальные иглы, размагнитить магнитные стрелки или даже изменить полярность последних. Правда, Марум относил этого рода намагничивание за счет земного магнетизма, действие которого якобы усиливается только от электрических сотрясений, и тем как будто разрешил эту загадку; однако другие более смелые и более склонные к умственной спекуляции физики пытались обосновать тождество электричества и магнетизма ввиду сходства электрических и магнитных притяжений и отталкиваний. Риттер, например, прямо утверждает, что всякий вольтов столб является магнитом и что даже всякая игла, спаянная только из цинка и серебра, есть магнитная игла. Прехтль, с целью изучить возможные магнитные действия вольтова столба, подвесил его в 1808 г. на шелковых шнурах; он высказал в 1810 г. следующее положение: «Таким образом, в природе все явления представляются либо как притягательное, либо как химическое действие электричества.

Однако подобные предвзятые мнения, лишенные достаточной фактической подкладки, не могли привлечь к себе физиков, склоняя их скорее даже на противоположную сторону. Но вслед за открытием электромагнетизма Эрстедом это отношение тотчас же резко изменилось. Уже в том же 1820 г. указали на два сочинения 1804 г., в которых будто уже заключалось наблюдение электромагнитного действия. Альдини в своем «Traité sur le galvanisme (Paris 1804) («Трактат о гальванизме») говорит о Можоне: «Поместив горизонтально очень тонкие швейные иглы, длиною в 2 дюйма каждая, он присоединил их обоими концами к чашечному прибору (гальваническая батарея), состоявшему из 100 стаканов. По истечении 20 дней он вынул иглы, немного окислившиеся, но в то же время намагниченные, с ясно выраженной полярностью».

РАБОТЫ ЭРСТЕДА ПО ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМУ

Если бы это наблюдение постоянного отклонения иголки, говорит Гамель, было именно тем самым, что с 1820 г. считается открытием Эрстеда, и если бы оно действительно было известно Эрстеду, то последний был бы не только обманщиком, но и очень медлительным и неловким плагиатором. Он должен был бы знать электромагнетизм, по крайней мере, с 1804 г., а, между тем, в 1812 г. в своем «Ansicht der chemischen Naturgesetze» (Berlin 1812) («Взгляд на химические законы природы») он говорит о тождестве электричества и магнетизма, не приводя в доказательство ни единого опыта. Наконец, в 1820 т. он выступает с этой уже старой историей и не только сообщает свое открытие в неудобной и нецелесообразной форме, но потом, когда все стали приписывать его открытие случаю, старается всячески доказать, что он уже давно, хотя и безуспешно, работал над ним. При всей моей готовности воздать должное заслугам Романьози, я в приведенных выше фактах не могу найти какого бы то ни было основания приписывать Эрстеду столь отвратительную роль.

По словам самого Эрстеда, удачные опыты ему удалось произвести лишь весной 1820 г. во время своих лекций об электричестве, гальванизме и магнетизме. Результаты этих опытов были им опубликованы в маленьком мемуаре «Experimenta circa efficaciam conflictus electrici in Acum magneticam» (Hafniae, 21 Juli 1820) («Опыты по влиянию электрического тока на магнитную иглу»), который был им разослан во все известные ученые общества, физикам и в редакции физических журналов.

Вероятно, это и было причиной, почему вслед за опубликованием этого открытия сначала наступил небольшой перерыв, а затем полился целый поток новых работ. Так, Мунке полагал, что приступать к опытам нельзя, пока не будет устроен сильный столб, и он устроил его в 106 пар; однако потом, разбирая его по частям, он убедился, что отклонение стрелки можно получить от пяти пар и даже от одной.

Первым физиком, подтвердившим открытие Эрстеда, был И. Т. Майер, следующим был де-ла-Рив, повторивший опыты Эрстеда на собрании натуралистов в Женеве. Затем наступил потоп. Как во всех вообще случаях, когда новое явление легко воспроизводится и наблюдается, открытие Эрстеда вызвало огромный интерес со стороны самых широких кругов. Всякий, кто только был в состоянии достать и наладить элемент и буссоль, старался проделать опыт по отклонению стрелки током. Частью под влиянием этого всеобщего возбуждения, частью вследствие сознанной важности данного открытия, и работы настоящих ученых начали следовать друг за другом почти с небывалой скоростью.

Эрстед сам установил в том же году, что с увеличением числа пар в столбе эффект мало усиливается, а зависит он преимущественно от величины пластин; кроме того, он убедился, что накаливание проводников при этом не обязательно. Далее, подвесив свободно на нити ящичный элемент, он доказал, что магнит способен в свою очередь отклонять ток.

Араго, видевший опыты де-ла-Рива в Женеве, уже в сентябре 1820 г., показал, что проводники тока притягивают железные опилки, как магнит, а в ноябре того же года Буажиро наблюдал притяжение плавающей на воде магнитной иглы проводниками тока. Для усиления действия слабых токов на магнитную иглу, Швейггер изобрел в сентябре 1820 г. мультипликатор, а Поггендорф вскоре дал ему форму, применяемую и поныне. Для изоляции отдельных оборотов Швейгтер сначала употреблял сургуч или воск, но затем, ввиду хрупкости подобной оболочки, проволоку стали обвивать шелком. И. Гамель («Bull. l’Acad. Imp. de St. Petersburg», II, стр. 103—105, 1860) утверждает, что шелковую обмотку впервые начал применять С. Т. Земмеринг еще до 1810 г. на своих телеграфных проводах.

ЗАКОН БИО И САВАРА. АМПЕР

Математический закон действия гальванического тока на магнит был впервые определен опытным путем Био и Саваром. Они нашли: если неограниченной длины провод с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от середины 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 от провода. Отсюда Лаплас вывел, что и эти действия, подобно тяготению, убывают обратно пропорционально квадрату расстояния.

РАБОТЫ АМПЕРА ПО ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМУ

Но оригинальнее, гениальнее и плодотворнее всех физиков, не исключая и самого Эрстеда, разработал эту новую, лишь слегка затронутую область Ампер. Работы свои он начал докладывать во Французской академии с 18 сентября 1820 г.. Действие тока на магнитную стрелку зависит от его направления; для определения этой зависимости Ампер дал известное правило пловца, которое тотчас же и было принято физиками вместо неудобного правила Эрстеда. Не довольствуясь одним установлением фактов, Ампер стремился найти внутреннюю связь между новыми явлениями и теми, которые уже ранее были известны. Электричество от трения действует притягательно и отталкивательно на всякое вещество, потому что оно вызывает в нем электричество; не свойственно ли подобное действие и электрическим токам? По-видимому, из этой именно совершенно новой точки зрения и исходил Ампер, приступая к своим исследованиям; и уже 18 сентября 1820 г. он сообщает, что гальванические токи, имеющие одинаковое направление, взаимно притягиваются, а противоположно направленные отталкиваются. Этим, конечно, сходство между действиями покоящегося и текущего электричества усиливалось, но, с другой стороны, выявилось существенное различие: в первом случае одноименности соответствовало отталкивание, а здесь, наоборот, притяжение. Далее, Ампер считает целесообразным совершенно отделить друг от друга эти две области электричества, обозначив их различными названиями: электростатика и электродинамика. Для наблюдения взаимного действия гальванических токов Ампер устроил много новых приборов. Уже в первом своем сообщении 1820 г. он описал проволочные прямоугольники и кольца с концами, погружающимися в чашечки с ртутью для подведения тока, равно как и штатив (за которым сохранилось его имя) для чашек с ртутью; последний, впрочем, тогда еще в неудобной форме. Тогда же для усиления действия он вместо применения одного кругового провода стал свивать провод в спираль — форму, которую в своей работе 1822 г. Ампер назвал соленоидом, а в Германии назвали электродинамическим винтом. Эти весьма подвижные приборы Ампера обнаруживали не только взаимное действие токов, но и полное взаимодействие между токами и магнитами. Подобно тому как магнитная игла отклоняется током, так же и проволочные прямоугольники отклоняются магнитом, и в обоих случаях, как в опытах Эрстеда, выявляется поперечность направления действующих сил. Проволочные треугольники двигались подобно магнитам, оси которых перпендикулярны к плоскостям прямоугольников, а соленоиды совершенно уподоблялись искусственным магнитам: их продольная ось (перпендикулярная к направлению тока) совпадала с осью магнита. Отсюда Ампер заключил, что чудовищное представление о Земле, как о цельном постоянном магните из стали или магнитной руды, можно заменить представлением о соленоиде, т. е. считать, что Землю обегает гальванический ток, имеющий направление с востока на запад. Вместе с тем было совершенно устранено и представление об особых магнитных жидкостях или силах: каждый магнит является естественным соленоидом, состоящим из индифферентного железного ядра, которое проявляет магнитное действие лишь благодаря обегающим его токам, или же (так как уже давно ощущалась необходимость смотреть на магнит, как на нечто составленное из элементарных магнитов) каждый магнит является немагнитным металлом, все частицы которого обтекаются гальваническими токами одного и того же направления.

МАГНИТНАЯ И ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ

Но тогда сейчас же встал новый вопрос: возникают ли молекулярные токи в металлах только при намагничивании, или же они всегда имеются в металлах, способных к намагничиванию? Сначала Ампер склонялся в пользу первого предположения, но вскоре признал возможность и второго. С последней точки зрения выходило, что в ненамагниченном железе, никеле или кобальте молекулярные токи имеют различное направление, и потому их действия во вне взаимно уничтожаются; и, далее, что намагничивание названных металлов заключается именно в том, что всем молекулярным токам сообщается параллельное направление. Позднее Ампер уже не касался более этого вопроса, так как, по словам Мунке, он не считал возможным остановиться на той иди другой точке зрения, ввиду полной пока невыясненности сущности электричества.

Возможно, впрочем, что последнее находилось в некоторой связи с холодным приемом, который был оказан другим опытам Ампера, опубликованным им около этого же времени. Если в немагнитном железе нет электрических токов и они возникают лишь при намагничивании, то намагничивание гальваническими токами, несомненно, доказывает, что последние способны вызывать другие гальванические токи в соседних проводниках или, по крайней мере, в ближайшем железе. Таким образом магнитная индукция является прямым доказательством гальванической индукции, а выявление последней, наоборот, доказывает правильность первого воззрения Ампера на процесс намагничивания, 4 сентября 1822 г. Ампер сообщил Парижской академии, что когда он подвесил на нити замкнутую в кольцо полоску меди внутри кольцеообразного проводника тока, то заметил, что медное кольцо притягивалось или отталкивалось приближенным к нему подковообразным магнитом, в зависимости от направления тока. Отсюда Ампер пришел к выводу, что электрический ток, проходя близ тел, способных проводить токи, возбуждает в них электричество. Современные ему физики, однако, совершенно не соглашались с этим выводом. Мунке считал весьма вероятным, что в опыт Ампера вкралась ошибка и что в данном случае с медным проводом получились те же явления, какое наблюдал и он, Мунке, при повторении этого опыта с латунным проводом, содержащим в себе небольшую примесь железа; можно, следовательно, полагать, что наблюденное Ампером явление было вызвано не электрическими токами, а именно примесью железа в медной полосе.

ЗАКОН ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОТОКОВ

На этом Ампер остановился в области эксперимента и занялся преимущественно математической теорией электродинамики 3. Он допустил, что взаимодействие двух элементов тока прямо пропорционально их длинам ds и ds’ и силам токов i и i’ и обратно пропорционально некоторой степени (rn) линии, соединяющей их центры; далее, что электродинамическое действие происходит по направлению указанной линии и, подобно действию всяких сил вообще, может складываться и разлагаться по закону параллелограмма сил. Путем такого разложения, он для действия двух элементов ds и ds’, пересекающих линию их соединения r под углом и 1 и образующих с нею плоскости, пересекающиеся под углом , получил следующую формулу:

Эта формула до настоящего времени составляет основу математической теории электродинамики, и вообще вся теория магнетизма и электромагнетизма до сих пор разрабатывается в направлении, данном Ампером. Свидетельством этого могут послужить слова Максвелла в его знаменитом «A Treatise on Electricity and Magnetism» (Oxford 1873, 2-е изд. 1881; переведено на немецкий язык под заглавием «Lehrbuch der Elektricität» 1883, II, стр. 216): «Исследования Ампера, в которых он установил законы механического взаимодействия электрических токов, принадлежат к числу самых блестящих работ, которые были проведены когда-либо в науке. Теория и опыт как будто в полной силе и законченности вылились сразу из головы «Ньютона электричества». Его сочинение («Théorie de Phénoménes») совершенно по своей форме недосягаемо по точности выражения и, в конечном счете, приводит к одной формуле, из которой можно вывести все явления, представляемые, электричеством, и которая навсегда останется основной формулой электродинамики».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ ФАРАДЕЯ

Несмотря на это, казалось, по крайней мере, вначале, как будто другие теории электромагнетизма и электродинамики, в которых недостатка не было, имеют лучшие виды, чем теория Ампера. Эрстед и Фарадей еще раньше Ампера разработали подобные, хотя и менее совершенные теории. Эрстед уже в первом своем сочинении 1820 г. и полнее в «Schweigger’s Journ.» (XXXII и XXXIII) выразил мысль, что оба рода электричества при передвижении по проводникам в противоположных направлениях должны закручиваться вихрями друг вокруг друга, распространяясь, таким образом, по винтовым линиям. Так как при этом положительное электричество должно было отталкивать южный полюс, а отрицательное северный, то и получилось простое объяснение основного электромагнитного явления, для поперечного направления стрелки по отношению к току. Фарадей нашел, что подвижной проводник тока приводится неподвижным магнитом во вращательное движение, направление которого зависит от направления тока и от полярности магнита. Соответственно этому он принял для объяснения основного электромагнитного явления, что магнитные и электрические жидкости вращаются около проводников. Но с этим нельзя было далеко уйти, а вскоре было показано, что все наблюденные Фарадеем разнообразные случаи вращения очень хорошо могут быть объяснены и теорией Ампера.

БОРЬБА ПРОТИВ ТЕОРИИ АМПЕРА

Вообще, нерасположение физиков к теориям Ампера обусловливалось главным образом тем, что эти теории устраняли магнитные жидкости. Например, Био, отличавшийся очень тонким чутьем ко всему, что угрожало господствующим системам физики, основным физическим воззрениям, укоряет в своем учебнике (III, стр. 194) Ампера за то, что тот все явления взаимодействия магнитных тел сводит на электрические токи, окружающие частицы металла чуть не наподобие декартовских вихрей, в результате чего будто бы создается такая путаница положений и допущений, что гипотезу Ампера почти невозможно представить. Био остается при своем убеждении, что и электромагнитные действия являются чисто магнитными, что медная проволока, под влиянием проходящего по ней тока, становится магнитом. Мунке (Cehler’s physik. Wörterbuch, 2. Aufl., III, стр. 643 и сл.) полагает, что это можно себе наглядно представить следующим образом: электричество течет по проводнику не сплошь, а толчками, которые в гальваническом электричестве выражены всего резче, так что они даже ощущаются нашими нервами в виде своеобразного зуда. Каждая достаточно сильная волна разъединяет в проводнике и поблизости от него имеющийся там нейтральный магнетизм на его полярные составные части, так что северная магнитная жидкость накопляется на одном конце проводника, а южная — на другом. Как бы там ни было, но так как магнетизм гальванического тока действует поперечно по отношению к направлению последнего, то Био полагает, что разъединение магнитных жидкостей происходит в каждом поперечном сечении проводника и притом таким образом, что каждое сечение действует на внешнюю магнитную частицу так, как если бы касательные к поперечному сечению состояли сплошь из магнитных игл. Отсюда он затем вывел также и электродинамические притяжения и отталкивания токов. Представим себе вокруг поперечного сечения тока четыре таких касательных иглы; тогда для поперечного сечения тока того же направления фигура останется та же, а для тока противоположного направления фигура тоже изменит свое положение на обратное. Из приведенных здесь чертежей (черт. 7), взятых из учебника Био (ч. III, табл. XI), ясно видно, что первые токи должны притягиваться, а вторые отталкиваться. Био до такой степени уверен в правильности своего объяснения и несостоятельности гипотезы Ампера, что в заключении соответствующей главы говорит: «Когда физики, в чем я уверен, вскоре оставят различные гипотезы, построенные для объяснения электромагнетизма, и вернутся к столь простому воззрению молекулярного намагничивания, то мне, я надеюсь, будет отдана справедливость, что я никогда не рассматривал этого обширного класса явления с иной точки зрения». Тем не менее, теория поперечного магнетизма все-таки тоже представляла для физиков большие трудности. Г. Г. Шмидт полагал, что магнетизм на сечении проводника распределяется таким образом, что на одной половине сечения собирается северный магнетизм, а на другой — южный. Фон-Альтгауз высказал предположение, что под влиянием тока в сечении проводника образуются четыре магнитных полюса, причем одноименные лежат друг против друга. И. Прехтель принимал, что каждая сторона окружности сечения становится полярной. Зеебек, а затем и Г. П. Поль утверждали, что в каждой точке поперечного сечения имеются и северный и южный магнетизм, причем оба они прошли через эту точку, но только в различных направлениях. Однако эта круговая полярность (так ее называет Поль) приводила, в сущности, к амперовским спиральным токам, следовательно, не зачем было удерживать одновременно и магнитные и электрические токи. Поэтому в дальнейшем ограничились одними электрическими токами и остались при теории Ампера, которая, в конце концов, оказалась в состоянии объяснить все наблюденные явления, хотя она и предъявляет большие требования к созерцательным и познавательным способностям.

МАГНЕТИЗМ ВРАЩЕНИЯ. ТЕРМОМАГНЕТИЗМ

Мысль, что все проводники электричества содержат в себе магнетизм, хотя бы в нейтральном состоянии, и поэтому способны при известных условиях намагничиваться, выплыла еще раз по другому поводу в очень интересной форме, отдалив тем самым время открытия гальванической индукции. В ноябре 1824 г. Араго доложил Французской академии опыты, в которых наблюдалось значительное замедление качаний свободно подвешенной магнитной стрелки, когда под нее подводились пластинки или кольца из меди или других металлов. В следующем году 7 марта он описал противоположные по своему эффекту и еще более поразительные опыты, именно отклонение магнитной стрелки или даже круговое вращение ее, когда металлическая пластинка над ней или под ней приводилась в быстрое вращение; при этом движение стрелки по своему направлению совпадало с вращением пластинки. Физики, повторившие эти опыты, именно Зеебек, Нобили и др., тотчас же приняли их за доказательство того, что игла индуцирует магнетизм в металле. Но когда Араго заметил, что магнитная игла, подвешенная к плечу весов и уравновешенная гирями, не притягивается вращающимся металлическим диском, а отталкивается им, то пришлось допустить в металлах особый вид магнетизма. Араго дал ему название магнетизма вращения, так как он проявляется только во вращающемся, а не в покоящемся металлическом диске. С этой последней точки зрения представлялась некоторая возможность объяснить и наблюдение Гершеля и Баббаджеса, согласно которому диск с радиальными прорезами действует на магнитную стрелку гораздо слабее массивного.

Другой замечательный вид магнетизма, именно термомагнетизм, открыл Зеебек 8 в 1821 г. Продумывая опыты Эрстеда, он напал на мысль, что магнетизм, возбуждаемый током, может быть получен и в результате прямого соприкосновения двух металлов без посредства жидкого проводника, — мысль, которая могла быть также навеяна основным опытом Вольты образования контактного электричества при «сухом» соприкосновении двух пластинок. Положив друг на друга две пластинки из меди и висмута, он присоединил их к оборотам мультипликатора; при этом он заметил, что каждый раз, когда он прижимал рукой концы проволок мультипликатора к пластинкам, магнитная стрелка отклонялась на несколько градусов. При этом влажность руки не играла никакой роли, так как, нажимая на проволоки через мокрую бумагу, Зеебек вовсе не получал отклонений, тогда как продолжительное нажимание руками через стекло или металл тоже давало отклонение. Последнее обстоятельство навело Зеебека на счастливую мысль, что действующим агентом в данном случае является теплота руки, — что разность температур в местах соприкосновения металлической цепи является источником освобождающегося магнетизма, причиной магнитных действий. Находясь под влиянием господствовавших тогда представлений о совместном существовании в проволоке цепи электричества и магнетизма, Зеебек описал найденные им явления под названием термомагнетизма. Понятно, что позднее, когда было открыто явление гальванической индукции и в связи с этим за теорией Ампера была признана окончательная победа, приведенное выше название было заменено более подходящим термином — термоэлектричество. Зеебеку удалось установить еще много других особенностей нового источника электричества. Подвергая места соприкосновения металлов вместо нагревания охлаждению, он получал такую же магнитную полярность. Далее, он заметил, что интенсивность магнитной поляризации с повышением разности температур вообще возрастает, но не пропорционально этому повышению, что она зависит от свойства металлов, их природы и кристаллографического строения, что она усиливается с увеличением в цепи числа термомагнитных пар, но опять-таки не пропорционально этому числу. И, наконец, Зеебек объяснил и магнетизм Земли термомагнетизмом, получающимся вследствие нагревания вулканами сплошного пояса металлов и руд, опоясывающего Землю.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Первыми физиками, подтвердившими открытие Зеебека, были: Иелин (в Мюнхене), Эрстед и Фурье — двое последних стали повторять опыты Зеебека еще до опубликования работы Зеебека на основании устного сообщения о них. При этом они старались, главным образом, выяснить влияние увеличения числа зеебековских пар на количество получаемого электричества. Устроив для этой цели термоэлектрический столб (первый по времени), они нашли, что при очень короткой длине проводника действие не усиливается, а при употреблении мультипликатора оно усиливается в значительной степени. Отсюда им был сделан вывод, что в термоэлектрических элементах количество электричества больше, а напряжение меньше, чем в элементах Вольты. При опытах со своими столбами они заметили и химическое действие тока, по крайней мере, наблюдали разложение медных солей. Поэтому они предложили назвать эти явления термоэлектрическими. Зеебек еще спустя два года возражал в «Poggendorf’s Annalen» (Bd. VI) против этой замены названий и предложил твердо придерживаться термина термомагнетизм. Между тем обыкновенная электрическая природа термостолбиков выяснялась постепенно все больше и больше, а в 1836 г. Антинори и Линари удалось даже получить электрическую искру при помощи батареи в 25 сурьмо-висмутовых элементов.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ПРЕВРАЩЕНИЕ ФОРМ

Таким образом, электричество само по себе все больше и больше наводило на мысль о превращении сил, т. е. о прямом переходе одной формы силы в другую, а не о простом возбуждении одной силы другой. Интересно, что при этом мысль о взаимности таких превращений не только оставалась неясной, но даже в некоторых отдельных случаях она бралась под сомнение. Зеебек показал, что электрические токи могут быть получены как при повышении, так и при понижении температуры, однако только 13 лет спустя Пельтье показал, что, и обратно, электрическим током можно вызывать, не только тепло, но и холод. Он выяснил в 1834 г., что тепло, развиваемое током в проводниках, в однородных частях последних бывает распределено равномерно, а на концах этих частей оно зависит от свойств соприкасающихся частей. Если ток проходит по стержню, составленному из сурьмы и меди, в направлении от первого металла ко второму, то в спае этих металлов наблюдается повышение температуры на 10°; при обратном же направлении тока наблюдается понижение на 5°. Когда ток шел от висмута к сурьме, то спай нагревался на 37°, при обратном направлении он охлаждался на 45°. Это явление Пельтье было вскоре подтверждено Ленцем, которому даже удалось этим путем заморозить воду. Законы этих явлений были разработаны Беккерелем, Квинтус-Ицилиусом и Франкенгеймом.

Чем подвижнее, однако, оказывался гальванизм по своей природе и чем разнообразнее становились его действия, тем настойчивее выдвигался и приобретал все большее значение вопрос о количественной стороне этих действий. В самом деле, те выражения наивного изумления по поводу изменения действия гальванических батарей при измененки числа, величины и расположения элементов, которые мы в то время встречаем еще у многих физиков, конечно, сами по себе оставались безрезультатными до тех пор, пока новые открытия в этой области захватывали исследователей врасплох. Однако более спокойные и смелые исследователи уже тогда должны были задаться вопросом о количественной стороне явлений и о количественных затратах гальванизма при его превращении в другие силы.

РАЗВИТИЕ ЗАКОНА ОМА

Первым, занявшимся успешно этими вопросами, был Р. С. Ом, который, несомненно, значительно опередил общее настроение своих современников, а также состояние вспомогательной научной аппаратуры. Уже раньше было много раз замечено, что действие гальванической батареи зависит не только от нее самой, но и от соединительной проволоки, замыкающей цепь батареи. Дэви, изучая химические действия тока, уже заметил, что металлическая проволока, замыкающая батарею, обладает сопротивлением прохождению тока; величина его зависит от качества металла, прямо пропорциональна длине проволоки и обратно пропорциональна ее поперечному сечению. Ом, подобно многим другим физикам того времени, занялся сначала тем же специальным вопросом и в 1825 г. дал ряд металлов по степени их проводимости; но уже в следующем году он дал точную связь между электровозбуждающей силой, сопротивления и силой тока. Уже в первой своей работе Ом заметил, что сила тока в гальванической цепи вскоре после ее замыкания падает до некоторого минимума, а затем после размыкания она до известной степени восстанавливается. Это непостоянство силы тока, конечно, мешало не только определению ее величины, но и определению влияющих на нее факторов, поэтому Ом охотно обратился, по совету Поггендорфа, к термоэлементу, дававшему, как показали опыты, ток постоянной силы. Его элемент состоял из висмутового стержня, впаянного между двумя медными проволоками. Окружив один спай льдом, а другой, держа в кипящей воде и замыкая цепь различными проводами, он пришел к формуле Х=a/(b+x) «где X обозначает силу магнитного действия на проводниках, х — их длину, а величины а и b — постоянные, зависящие от возбуждающей силы и от сопротивления прочих частей цепи. Спустя еще год Ом опубликовал свои исследования в сочинении «Die galvanische Kette, mathematisch bearbeiter von Dr. G. S. Ohm», Berlin 1827 («Гальваническая цепь, математически разработанная д-ром Г. С. Омом»), где его закон выведен также и теоретически. Для этой цели Ом представляет себе электрический ток в виде действительного потока. При таком воззрении действие его зависит от скорости течения; но в обыкновенном потоке последнее определяется наклоном русла, в электрическом же токе разностью напряжений на определенном участке, а именно на концах единицы длины. Как в водяном токе, Ом обозначает эту разность напряжений словом «падение» (Gefälle). Так как опыты показали, что сила тока в однородном проводнике везде одинакова, следовательно, то же должно иметь место и для падения; значит, эта последняя величина, при однородности замыкающей проволоки, пропорциональна разности напряжений в самой цепи, т. е. электродвижущей силе. Однако падение зависит не только от одной этой величины, но также от длины пути (проводника), по которому распределена вся разность напряжений, следовательно, оно обратно пропорционально этой длине. Таким образом сила тока i должна быть прямо пропорциональна электродвижущей силе е и обратно пропорциональна длине пути тока I; следовательно, при надлежащем выборе единиц измерения, i будет равно отношению e/l. Но так как цель никогда не бывает повсюду однородной и в различных местах представляет различные сопротивления, то она и оказывает различное влияние на падение. Но любое сопротивление может быть приравнено сопротивлению проволоки и заменено последним. Это особенно необходимо по отношению к сопротивлению самого элемента. Если редуцированную таким образом величину сопротивления элемента обозначить через w, а величину сопротивления всей внешней цепи — через I, то i=e/(w+l). Из этой формулы Ом затем вывел не только замечательный закон действия гальванических батарей при различных внешних сопротивлениях, но и дал теорию мультипликатора.

ОТНОШЕНИЕ К РАБОТАМ ОМА

В Германии и в кругу иностранных физиков, находившихся в общении с немецкими учеными, работы Ома встретили очень хороший прием. Берцелиус говорит в 1828 г.: «Хотя некоторые из результатов Ома и скажутся, может быть, впоследствии не вполне удовлетворительными, тем не менее, попытка построить и здесь наши знания на такой же твердой почве, на какой стоят закон тяжести и движений, является большой заслугой». Фехнер в 1831 г. полностью подтвердил законы Ома и показал некоторые дальнейшие теоретические и опытные их применения. За границей же, в особенности в Англии и Франции, работы Ома долгое время оставались неизвестными или, по крайней мере, на них не обращали внимания. Поггендорф в 1839 г., показав, что многие выводы, касающиеся действия гальванических батарей, полученные опытным путем лишь с большим трудом, очень просто вытекают из закона Ома, продолжает: «Но так как эта теория, совершенно необходимая для ясного понимания действия электрических токов, долгое время даже у нас не была оценена по достоинству, а во Франции и в Англии была физикам почти что неизвестна поэтому-то там и было произведено множество опытов, оказавшихся совершенно бесполезными, либо потому, что результаты их можно было бы наперед предвидеть, либо потому, что при этом необходимые величины не были определены с достаточной тщательностью, вследствие чего из них нельзя было извлечь ясных результатов), то, пожалуй, не будет лишним показать полезность ее на каком-нибудь простом частном случае». Правда, в это время во Франции Пулье, уже давно занимавшийся измерением проводимости металлов, установил и подтвердил при помощи устроенной им тангенс-буссоли тот же закон для гальванического тока, что и Ом; однако имени последнего он, к сожалению, не упомянул. В связи с этой работой первенство открытия закона тока чуть было даже не присвоил Пулье. Между тем первое его сообщение Парижской академии по вопросу об этом законе было сделано только в октябре 1831 г. Да и Пулье сам признается, что он до того читал работу Ома о гальванической цепи, по крайней мере, в извлечении, и что Ом бесспорно еще до него в 1827 г. высказал мысль, что при измерении силы тока следует принимать во внимание сопротивление цепи, а также все иные виды сопротивления. Если же, несмотря на это, Пулье утверждал, что Ом развил свой закон только математически, а не экспериментально, и что ему (Пулье) первому принадлежит заслуга определения отношений между силами тока в отдельных частях цепи, соответственно степени их проводимости, то это значит, что он не достаточно внимательно ознакомился с работами Ома по упомянутому им извлечению. Ому работа Пулье впоследствии привнесла пользу в том отношении, что закон его стал известен и во Франции. В Англии Ч. Уитсон придает в 1843 г. большое значение тому обстоятельству, что наконец-то столь долго господствовавшие туманные представления о количестве и напряженности уступили место определенным понятиям сил и сопротивлений, установленных Омом. Впрочем, Королевское общество еще в ноябре 1841 г., в признание заслуг Ома, наградило его медалью Коплея. Из работ Пулье 1837 г. следует еще упомянуть о произведенном им определении проводимости жидкостей и особенно о его проекте введения определенной единицы тока и сведении се на химическую меру. Пулье предложил в качестве единицы избрать ток термоэлектрического элемента из меди и висмута, с общим сопротивлением в цепи, соответствующим медной проволоке в 20 м длины и 1 мм толщины при температурах 100 и 0° С в спаях. Для разложения 1 г воды в 1 мин. потребовался бы ток в 13 787 единиц Пулье.

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации

ГЛАВА 5 Открытие электромагнетизма и создание разнообразных электрических машин, ознаменовавших начало электрификации

Открытие действия «электрического конфликта» на магнитную стрелку

В июне 1820 г. в Копенгагене была издана на латинском языке небольшая брошюра профессора Копенгагенского университета Ханса Кристиана Эрстеда с необычным названием: «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Открытие Эрстеда не только обессмертило имя ученого, но явилось эпохальным событием в истории электромагнетизма. Как выразился один из ученых, электромагнетизм привлекал к себе не только железо, но и мысли европейских физиков.

Эрстед сделал свое открытие в декабре 1819 г. во время опытов на студенческой лекции: если расположить магнитную стрелку над проводом или под ним и пропустить электрический ток, то северный полюс стрелки повернется или к западу или к востоку. Эрстед подчеркнул, что речь идет не о притяжении или отталкивании, наблюдавшихся ранее в опытах с электричеством, а о вращении стрелки, вызываемом «вихрем» магнитных сил, возникающем вокруг проводника. В то время еще не было известно понятие «направление» тока и Эрстед считал, что положительное и отрицательное электричество, сталкиваясь в проводнике, образуют «конфликт», вызывающий «вихрь» магнитного поля.

В наши дни любой школьник может воспроизвести опыт Эрстеда и продемонстрировать «вихрь электрического конфликта», насыпав на плотный лист бумаги железные опилки, а сквозь центр листа, пропустив провод с электрическим током. Открытие Эрстеда спустя несколько месяцев привело к изобретению индикатора электрического тока: немецкий физик И. Швейггер (1779-1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током, создав новый электроизмерительный прибор – «мультипликатор» (1820), представлявший собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Мультипликатор Швейггера

Необычайно «урожайным» в истории электромагнетизма был 1820 г. Выдающиеся открытия следовали одно за другим. В сентябре 1820 г. французский физик, позднее академик, Д.Ф. Араго (1786-1853) обнаруживает намагничивание проводника протекающим по нему током: если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней «прилипали», а при выключении тока опилки «отставали». При замене медной проволоки железной она намагничивалась, а кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По совету Ампера Араго заменил прямолинейную проволоку спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, заметно усилилось. Так был создан «соленоид». Опыты Араго наглядно доказали электрическую природу магнетизма и возможность намагничивания стали электрическим током.

«Ньютон электричества»

Наиболее выдающийся вклад в начальное исследование явлений электромагнетизма внес один из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампер (1775-1836), заложивший основы электродинамики. Ампер от природы был необыкновенно одаренным человеком. В истории науки не известен случай, чтобы 13-летний мальчик представил в Лионскую академию наук литературы и искусства свою первую математическую работу, в которой высказал серьезные замечания по поводу одного из трудов всемирно известного математика Л. Эйлера. С помощью отца – одного из образованнейших людей своего времени, сотрудников Лионского лицея и главным образом путем неустанного самообразования, к 18 годам познания Ампера в области математики, физики, механики вполне соответствовали курсу университетского образования. В то время как его сверстники еще не перестали играть в детские игры, он все глубже познавал естественные науки.

Но его творческая жизнь была нарушена страшной трагедией: в 1793 г. во время Великой французской революции был казнен его отец. После этого Ампер долго болел, но постепенно заставляя себя продолжать заниматься науками, начал давать частные уроки по физике, математике, химии, которые принесли ему не только денежные средства, но и известность способного педагога. И в 1802 г. он с успехом прошел собеседование и был зачислен на должность профессора в Центральной школе г. Бурга (недалеко от Лиона), а с 1809 г. – Ампер уже профессор математического анализа Политехнической школы в Париже – самой популярной среди технических школ Франции.

Ампера уже много лет интересовали электрические явления, но совмещать исследования этих явлений с математическими работами ему не удавалось.

Но когда Ампер в сентябре 1820 г. увидел на заседании Французской академии наук повторение Араго опытов Эрстеда, он, обладавший необыкновенным чувством научного предвидения, немедленно забросил все дела и с головой погрузился в изучение нового явления. И уже 18 сентября 1820 г. он докладывает в Академии наук о своих первых открытиях в области электромагнетизма. Ампер впервые убедительно показал, что железная проволока, согнутая в кольцо, аналогична «тонкому листку» постоянного магнита – и кольцо и «листок» – оба имеют одноименные полюса – никому до него это – как говорят – не пришло в голову. И еще очень важное наблюдение. (Заметим, что Ампер с поразительной последовательностью выступал еженедельно с сентября по декабрь перед академиками, излагая свои новые открытия, которые позднее были обобщены в его знаменитом труде по электродинамике.) Если «круговой» ток аналогичен магниту, то и взаимодействие кольцевых проводников с током должно быть аналогичным взаимодействию магнитов. Ампер вводит в науку термин «электрический ток» и понятие о направлении электрического тока. Он предложил считать за направление тока направление положительного электричества – «от плюса к минусу». Он также сформулировал важное правило о направлении отклонения магнитной стрелки, зависящего от направления тока в проводнике – «правило пловца».

На основании многочисленных экспериментов Ампер установил закон взаимодействия линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются. Тогда как два противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Для исследования токов он создал так называемый «станок Ампера» (рис. 5.2).

Обнаруженные явления Ампер предложил называть электродинамическими в отличие от известных ранее электростатических. Позднее электродинамика стала одним из важнейших разделов физики и электротехники.

Рис. 5.2. «Станок» Ампера:

1 – подвижная рамка; 2 – неподвижный проводник

Ампер не только дал глубокий анализ наблюдавшихся явлений, но сумел теоретически обобщить их, выведя формулу, позволяющую определить силу взаимодействия токов, а также создал приборы для определения этой силы. В Германском музее шедевров науки и техники хранятся оригиналы этих приборов, как «драгоценнейшие документы музея». Как писал один из биографов, это был «немеркнущий вклад, оставшийся на все времена в сокровищнице науки».

Ампер, несмотря на серьезную сердечную болезнь, неустанно трудился, надеясь претворить в жизнь свои идеи. Одной из наиболее революционных была его идея о молекулярных токах, утверждавшая, что «все магнитные явления… сводятся к чисто электрическим действиям». Теория о круговых молекулярных токах, отвергала наличие «особых» электрических и магнитных жидкостей. Его фундаментальный труд «Теория электрических явлений, выведенная исключительно из опыта», получил высочайшую оценку великого Максвелла, назвавшего Ампера «Ньютоном электричества».

Имя ученого известного всему миру было увековечено в 1893 г. на Международном конгрессе электриков в Чикаго, давшем единице силы тока название «ампер». Он был членом академий все крупнейших стран Европы, в 1830 г. Ампер был избран почетным иностранным членом Петербургской академии наук.

Рис. 5.3. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея):

7, 2 – чаши с ртутью; 3 – подвижный магнит; 4 – неподвижный магнит; 5 – неподвижный проводник; 6 – подвижный проводник

Создание прообразов электродвигателя

Первым, кто, проявив незаурядные способности экспериментатора, претворил в жизнь идеи Ампера, был великий английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), тогда еще никому неизвестный своими исследованиями. В 1821 г. Фарадей создает оригинальный прибор, демонстрирующий вращение проводника вокруг магнита и магнита вокруг проводника (рис. 5.3). При подключении к источнику тока в левом сосуде со ртутью подвижный магнит 3 вращается вокруг неподвижного провода 5, а в правом – подвижный проводник 6 вращается вокруг неподвижного магнита 4. По признанию Фарадея, думая о своем приборе, «он долго ломал себе голову… даже ночами просыпался и думал». Прибор Фарадея наглядно иллюстрировал возможность создания электродвигателя. По утверждению одного из ученых «…одно лишь открытие Фарадеем «электрического вращения» оставило бы ему мировую известность».

Анализ истории развития электрических машин показывает, что первым практическим устройством был электродвигатель. Это объясняется тем, что в связи с развитием промышленности все более возрастала потребность в компактном и экономичном электродвигателе, вместо широко распространенной паровой машины. Что же касается электрогенератора, то в течение первой трети XIX в было создано много разновидностей электрохимических батарей, которые получили широчайшее практическое применение.

Первый практически пригодный электродвигатель был создан петербургским профессором Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874) в 1834 г. Б.С. Якоби принадлежал к числу тех иностранных ученых, которые по приглашению приехали в Россию и связали с ней свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя и прожил в России 39 лет до конца своих дней. Сначала он работал в Дерпте (ныне Тарту), а потом в Петербурге, с 1839 г. «состоял в Петербургской академии наук», а с 1865 г. был избран академиком по физике.

Еще накануне приезда в Россию Якоби в 1834 г. послал в Парижскую академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Первый электродвигатель Якоби работал по принципу притяжения и отталкивания двух комплектов электромагнитов, один из них располагался на неподвижной деревянной раме, другой – на подвижной (рис. 5.4). Источником питания служила батарея гальванических элементов.

Направление тока, а следовательно, полярность неподвижных электромагнитов не изменялась, а для изменения полярности подвижных электромагнитов Якоби создал оригинальный коммутатор.

С помощью коммутатора полярность подвижных электромагнитов изменялась 8 раз за один оборот вала, и они поочередно притягивались и отталкивались неподвижными электромагнитами. Мощность электродвигателя составляла примерно 15 Вт, и Якоби, конечно, понимал, что нужно найти пути для увеличения мощности, чтобы – как он писал в записке президенту Академии наук и министру просвещения – «…Нева раньше Темзы или Тибра покрылась судами с магнитными двигателями».

Рис. 5.4. Внешний вид двигателя Якоби

Сначала он пошел по пути увеличения числа электромагнитов, но это только делало машину более громоздкой. Непрерывно работая над совершенствованием двигателя, Якоби узнал, что в 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Двигатель Девенпорта был более компактным благодаря расположению подвижных и неподвижных частей в одной горизонтальной плоскости.

Талант инженера и ученого помог Якоби найти наиболее рациональную конструкцию двигателя, чтобы при увеличении его мощности размеры машины возрастали в вертикальном направлении. Якоби отказался от неподвижных постоянных магнитов – громоздких и ненадежных.

Модель нового элементарного электродвигателя (рис. 5.5, а) представляла собой два неподвижных электромагнита, расположенных на деревянном кольце, и четырех крестообразных электромагнитов (роторов), которые могли вращаться внутри неподвижных полукруглых электромагнитов (статоров).

В 1838 г. на Ижорском заводе был изготовлен новый электродвигатель совершенно оригинальной конструкции: на двух вертикальных осях укреплялись 40 (по 20 на каждой из них) крестообразных подвижных электромагнитов, а неподвижные полукруглые укреплялись на деревянной станине с помощью скоб из немагнитного материала. Общая высота двигателя составляла 1,2 м, а основание 0,7×0,77 м, т.е. двигатель занимал на судне – восьмивесельном катере – сравнительно небольшую площадь (рис. 5.5, б). Электрический ток для двигателя обеспечивали 320 (!) гальванических батарей. Мощность электродвигателя составляла около 1/4 лошадиной силы.

а)

б)

Рис. 5.5. Модель одного элемента двигателя Якоби (а), чертеж электрического двигателя Якоби (1838 г.) (б):

1, 2 – зажимы обмоток двух неподвижных электромагнитов; 3 – зажим коммутирующего устройства; 4 – вращающаяся часть двигателя

Во время первых испытаний катер двигался по Неве со скоростью 2 км/ч на расстояние 7 км по течению и против течения. Это был первый в мире опыт практического применения электродвигателя для движения судна. Комиссия, учрежденная для испытания «электрического бота» Якоби, признала успех сенсационным и рекомендовала «увеличить мощность» гальванических батарей.

Публичные испытания «электрического бота» состоялись в августе 1839 г. и вызвали восторженные отклики зрителей и статьи в двух номерах петербургской газеты «Северная пчела» (сентябрь 1839 г.). В статье с весьма оптимистическим заголовком «Новые успехи на поприще электромагнетических опытов и радостные надежды в будущем» газета писала: «Человек до. шестидесяти ученых, литераторов и любителей наук (в том числе несколько высших сановников) собрались на Петровском Острове, чтобы быть свидетелями новых опытов над применением электромагнетической силы к судоходству. Катер с 12 человеками, движимый электромагнетической силой (в 3/4 силы лошади), ходил несколько часов против течения при сильном противном ветре. Этот опыт в области науки то же, что открытие письмен. Нет еще эпопеи, но мысль уже выражена. Что бы ни было впоследствии, но важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава применения теории к практике». Новый более мощный двигатель быстрее вращал гребные колеса, и скорость движения катера увеличилась до 4 км/ч.

Испытания двигателя показали, что он превосходит все другие зарубежные двигатели. Результаты испытаний давали надежду на реальную возможность использования двигателя в судоходстве. Особые надежды возлагали представители Военно-морского ведомства, видевшие его неоспоримые преимущества перед паровым двигателем, особенно на военных кораблях – ведь достаточно было одного вражеского ядра, чтобы парализовать движение корабля. Вместо огромного груза угля и паровой установки можно было увеличить число артиллерийских орудий, а штат команды сократить. А электрический ток от батарей можно использовать для освещения.

Успехи испытаний широко освещались в мировой печати. Великий Фарадей прислал Якоби восторженное письмо, надеясь на использование электродвигателя на крупных морских кораблях: «Какое это было бы славное дело», – воскликнул ученый.

Рис. 5.6. Электродвигатель Пачинотти

Британская ассоциация содействию науки, где в 1840 г. выступал с докладом Якоби, избрала его своим почетным членом.

Но попытки Якоби увеличить мощность электродвигателя и последующие испытания показали, что экономическая эффективность нового электродвигателя была явно недостаточна: одна лошадиная сила обходилась в 12 раз дороже, чем в случае применения паровой машины. И в 1842 г. Якоби в докладе Академии наук, подведя итоги четырехлетней работы над «попыткой применения электромагнетизма в качестве движущей силы признал питание электродвигателя от гальванических батарей нерентабельным».

Необходимо было создать легкий экономичный генератор электрической энергии нового типа для практического использования электродвигателя на корабле. Как удивился бы Якоби, если бы узнал, что более чем 160 лет после его экспериментов, несмотря на фантастические успехи электромеханики, океанские просторы будут бороздить не корабли-электроходы, а турбоэлектроходы, дизельэлектроходы, атомоходы. И можно только надеяться, что в будущем будут реализованы мечты нашего выдающегося ученого.

Но работы Якоби над созданием электродвигателя сыграли огромную прогрессивную роль в развитии электротехники и стимулировали изобретение электромашинных генераторов электрической энергии, получивших широчайшее практическое применение.

В течение трех десятилетий до изобретения самовозбужда- ющегося промышленного генератора постоянного тока Грамма, а также и электродвигателей (на основе принципа обратимости электрических машин) в разных странах были созданы несколько типов двигателей постоянного тока, не получивших широкого практического применения.

Среди них следует отметить оригинальный электродвигатель 19-летнего итальянского студента (впоследствии профессора) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1860). Этот электродвигатель (рис. 5.6) состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. В нижней части вала укреплялся коллектор, к пластинам которого подводились концы обмотки якоря. Пачинотти был сделан важнейший шаг на пути создания современной машины постоянного тока: неявнополюсный якорь, удобная схема возбуждения и коллектор, приближавшийся к современному.

Открытие явления электромагнитной индукции и создание первого электромашинного генератора

Как уже отмечалось, практическое применение электродвигателей оказалось невозможным из-за неэкономичности источников электрического тока – гальванических батарей. Поэтому во многих развитых странах начинаются интенсивные исследования с целью решения этой актуальной проблемы.

Первый электромашинный генератор, знаменитый «диск Фарадея», был создан в 1831 г. выдающимся ученым Майклом Фарадеем – сыном бедного лондонского кузнеца, не имевшим возможности даже окончить начальную школу. Но благодаря природному таланту, огромной тяге к знаниям и гигантской работоспособности он стал всемирно известным ученым, членом 68 академий и научных обществ, в том числе и почетным членом Петербургской академии наук. Нелегкий жизненный путь Фарадея, много лет работавшего в качестве лаборанта и лакея известного ученого X. Дэви, достойный пример для подражания миллионам молодых людей, стремящихся к овладению знаниям.

После создания им уже описанного ранее прибора «электромагнитного вращения» Фарадей (1821), убежденный во взаимосвязи и взаимопревращениях различных «сил природы», записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество!» Потребовалось десять (!) лет упорнейшего труда, чтобы практически решить поставленную задачу. В течение этого времени Фарадей продолжал работать над своим самообразованием, изучая труды знаменитых физиков и химиков, стремясь познать секреты электромагнитных явлений.

В 1827 г. Фарадей был уже профессором и читал лекции в Королевском институте, которые вызывали всеобщий интерес. Но чем бы он ни занимался, все его мысли были о «превращении магнетизма в электричество». Современники вспоминают, что будто бы он носил в кармане небольшую спираль из медной проволоки и тонкий постоянный магнит и нередко устанавливал их в разные положения. Многие друзья и коллеги считали его чудаком.

В течение 10 лет день за днем Фарадей ставил опыт за опытом, тщательно записывая результаты в журнал. Опытов были тысячи, но «возбуждения электричества посредством магнетизма» достичь не удавалось.

Первый удачный опыт произошел 29 августа 1831 г.; он по праву вошел в историю науки. На деревянный или картонный цилиндр (рис. 5.7, а) наматывалась медная проволока 1, а между ее витками была намотана вторая проволока, изолированная хлопчатобумажной нитью 2. Первая спираль соединялась с сильной батареей из 100 пар пластин, вторая – с гальванометром. При замыкании и размыкании первичной цепи стрелка гальванометра отклонялась, т.е. во вторичной цепи возникал ток. Но если ток непрерывно протекал по первичной спирали – гальванометр оставался неподвижным. Почему? Такого явления ранее никто из физиков не наблюдал. Великий экспериментатор долго оставался наедине со своими сомнениями. Когда внутрь спирали, включенной во вторичную цепь, Фарадей поместил стальную иглу (рис. 5.7, б), она при возникновении индуктированного тока так же намагничивалась, как и от тока гальванической батареи. Следовательно, индуктированный ток не отличается от обычного тока.

Рис. 5.7. Схемы опытов Фарадея (по рисункам Фарадея)

Было очевидно, что действие первой спирали на вторую осуществлялось через окружающую среду. А каково ее влияние? Заменив картонный цилиндр железным кольцом (рис. 5.7, в), Фарадей отметил, что стрелка гальванометра откланялась на больший угол. Значит, среда, окружающая проводник с током, играет активную роль и усиливает явление индукции. Кстати, отметим, что в опыте с железным кольцом можно увидеть прообраз простейшей конструкции трансформатора.

Логика рассуждений подсказывала, что при замыкании и размыкании цепи возникало и исчезало магнитное поле, создаваемое током. Но ведь изменение магнитного поля можно осуществить и без электрического тока, применяя обыкновенные постоянные магниты. Обмотав железный цилиндр медной изолированной проволокой, соединенной с гальванометром (рис. 5.7, г), и поместив цилиндр между концами двух постоянных стержневых магнитов, соприкасавшихся другими разноименными полюсами, Фарадей установил, что при смыкании и размыкании концов магнитов, стрелка гальванометра отклонялась.

Это явление Фарадей назвал «магнитно-электрической индукцией», в отличие от первых наблюдений, названных «вольта-электрической индукцией». Подчеркивая, что принципиальной разницы между этими явлениями нет, он позднее их называл «электромагнитной индукцией».

Через две недели, в октябре 1831 г., Фарадей проводит самый убедительный эксперимент, подтверждающий «превращение магнетизма в электричество». На картонную катушку была намотана спираль из медной проволоки, включенная в цепь с гальванометром (рис. 5.7, д). И когда он «быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали», стрелка гальванометра отклонилась. При быстром «вытаскивании» магнита стрелка отклонилась в обратную сторону. «Значит, – писал Фарадей, – электрическая волна возникает при движении магнита».

А через несколько дней Фарадей наглядно объясняет еще одно «загадочное» явление, открытое в 1824 г. Араго, названное им «магнетизмом вращения». История этого открытия весьма любопытна. Араго поручил парижскому мастеру изготовить для него большой компас и поместить его в футляр – медную коробку (так как медь – «немагнитный» материал). Когда же Араго стал открывать крышку коробки, ему показалось, что стрелка компаса отклонилась. Это было невероятно: наверное, подумал Араго, в медной крышке есть примеси железа, и оно взаимодействует с магнитной стрелкой. Но когда, по настоянию Араго, был сделан анализ металла – примесей железа не оказалось. Повторные опыты подтвердили первые наблюдения. Никто из физиков, даже Ампер, не могли объяснить это явление. Также и Фарадею много лет физическая суть этого явления «не давала покоя».

Сам Араго, пытаясь выяснить причину взаимодействия медной крышки с магнитной стрелкой, решил изготовить «приборчик», в котором, возможно, обнаружится аналогичное явление. Но он предположил, что если вращение медной крышки, вызывает поворот магнитной стрелки, то вращение магнита должно увлечь за собой медный диск (рис. 5.8). Опыт подтвердил догадку ученого: при вращении магнита 1 медный диск 2 начинал вращаться в ту же сторону. Недоумению ученых не было предела: почему взаимодействие магнита и диска возникает только при вращении магнита?

Рис. 5.8. Схема опыта Араго:

1 – магнит; 2 – медный диск

Фарадей, опираясь на открытое им явление электромагнитной индукции, не только объяснил причину вращения диска, но и указал на возможность практического использования опыта Араго. «Получив электричество из магнита, – писал Фарадей, – я полагаю, что опыт г-на Араго может стать новым источником получения электричества, и надеюсь, что… мне удалось сконструировать электрическую машину».

Опыт заключался в следующем. Фарадей принес в лабораторию большой подковообразный электромагнит, хранящийся до сих пор в музее Лондонского королевского общества (рис. 5.9). К полюсам магнита он прикрепил «два стальных бруска» и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока… до тех пор, пока диск вращался». Это был первый в мире электромагиинный генератор («Диск Фарадея») – с него начинается история электрических машин. Действие генератора Фарадей объяснял так: медный диск можно представить в виде колеса с бесконечным числом спиц – радиальных проводников. При вращении диска эти спицы-проводники пересекают магнитные силовые линии, и в них возникает индуктивный ток.

Рис. 5.9. Большой подковообразный магнит из Лондонского музея (справа схема опыта Фарадея)

Запоздалое открытие Джозефа Генри

В истории науки есть немало примеров, когда выдающиеся открытия и изобретения делались почти одновременно учеными разных стран, ничего не знавшими друг о друге. Но то, что произошло осенью 1831 г. в Лондоне и главном городе штата Нью-Йорк – Олбани, поистине сенсационно.

Как уже отмечалось, электромагнитную индукцию Фарадей открыл 29 августа 1831 г., а в ноябре сообщил об этом Лондонскому королевскому обществу, а его статья с подробным описанием экспериментов была опубликована в 1832 г. в журнале «Philosophical Transactions», а затем в крупнейших физических журналах мира.

Судьбе было угодно, чтобы профессор физики Олбанской академии, впоследствии президент Американской академии наук – Джозеф Генри (1787-1878), ничего не знавший об открытии Фарадея, в ноябре 1831 г. (т.е. почти одновременно с Фарадеем) в письме к своему коллеге писал о своих экспериментах, «…касающихся тождественности электричества и магнетизма», т.е. возможности индуцировать электричество с помощью магнетизма. По неизвестным причинам Генри на девять месяцев прекратил свои опыты и только в июне 1832 г. писал, что «…добился успеха в очень интересном эксперименте по получению электрических искр из магнита», и вскоре, в июле 1832 г., его статья об этом открытии была опубликована. И уже после публикации своей статьи осенью 1832 г. Генри узнал о работах Фарадея, и, как писал один из его биографов, «ничто в жизни Генри не вызывало столь тягостных переживаний, как этот перерыв в его экспериментах». До этого Генри много лет занимался созданием мощных электромагнитов, и свой выдающийся эксперимент производил сразу с электромагнитом и катушкой, подключенной к гальванометру.

Схема опыта Генри для наблюдения электромагнитной индукции (рис. 5.10) удивительно напоминает опыты Фарадея. Генри был достаточно опытным экспериментатором, чтобы не повторить ошибки некоторых физиков: его помощник, будучи в другой комнате, включал и отключал батарею, а Генри наблюдал при этом отключение стрелки гальванометра. Известно, что швейцарский физик Колладон, также изучавший явления электромагнетизма, можно сказать, «стоял у порога» открытия электромагнитной индукции: он включал батарею и спешил в другую комнату, где стоял гальванометр, но к этому времени устанавливался стационарный процесс, и стрелка гальванометра оставалась неподвижной. Всю свою долгую жизнь (Колладон дожил до 96 лет) он упрекал себя за свою досадную ошибку.

После изучения статьи Фарадея Генри подчеркнул, что шел к открытию собственным, отличным от Фарадея путем и даже «краткими намеками указывал, что первооткрывателем был все-таки он». Возможно, если бы Генри не прервал своих опытов, он разделил бы славу открытия наравне с Фарадеем, но его заслуги перед наукой неоспоримы (к сожалению, подлинное признание его заслуг пришло много позже). Справедливости ради нужно отметить, что Генри, в отличие от Фарадея, не имел одной из лучших в Европе научных лабораторий, не мог печататься в ведущих журналах Европы, и его «талант мужал в одиночку», что, конечно, «тормозило его творческие порывы».

Рис. 5.10. Схема опыта Генри

Тем более высокой оценки заслуживают его последующие открытия: в апреле 1832 г. он первым в мире обнаружил явление самоиндукции (Фарадей исследовал это явление спустя два года) и затем взаимной индукции. Д. Генри доказал, что индукция обладает «поразительным свойством»: она «…проявляется через кирпичную стену, разделяющую смежные комнаты» – для того времени это было сенсацией. Нельзя не отметить открытие Генри в 1840-1842 гг. колебательного характера искрового разряда конденсатора – прообраза первого осциллятора, этим он сделал немеркнущий вклад в зарождение электросвязи и радиотехники.

Научные заслуги Генри получили высочайшую оценку: в 1893 г. на Электротехническом конгрессе в Чикаго единица индуктивности была названа «генри». Как писал известный американский писатель М. Уилсон, «…наука воздала ему должное и возвела на самый почетный пьедестал, написав его имя с маленькой буквы. Генри стал генри наряду с ампером, вольтом, фарадой».

Создание промышленного типа самовозбуждающегося генератора постоянного тока

Как уже отмечалось, гальванические элементы оказались весьма неэкономичными источниками тока. Поэтому после создания М. Фарадеем прообраза электромашинного генератора ученые и инженеры в разных странах пытались решить эту проблему – этого требовало бурное развитие производства.

Рис. 5.11. Магнитоэлектрический генератор Якоби

Первые генераторы постоянного тока получили название «магнитоэлектрических», в них возбуждение магнитного поля осуществлялось постоянными магнитами. В течение около 30 лет (1831-1851) было создано несколько таких генераторов.

Первым магнитоэлектрическим генератором, получившим практическое применение, был генератор Б.С. Якоби, созданный им в 1842 г. для воспламенения минных запалов в подводных минах (рис. 5.11). При вращении катушек 2 зубчатой передачей в поле неподвижных постоянных магнитов 1 в них наводилась электродвижущая сила. На валу имелось коммутирующее устройство 3 в виде двух полуцилиндров – простейший двухпластинчатый коллектор. Этот генератор был принят на вооружение в русской армии.

Для повышения мощности генераторов изобретатели пытались увеличить количество постоянных магнитов. Так, например, в машине фирмы «Альянс» (1857) было 40 постоянных подковообразных магнитов, расположенных радиально по отношению к валу, и 64 стержня – явнополюсных якоря. На валу генератора укреплялся коллектор с 16 металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала. В качестве коллекторных щеток служили специальные ролики (рис. 5.12). Масса шестидисковой машины доходила до 4 т, а для вращения вала использовалась паровая машина мощностью 610 л.с. Машина фирмы «Альянс» использовалась для освещения дуговыми лампами, например на маяках. В течение почти 10 лет (1857-1865) было построено около 100 таких машин.

Рис. 5.12. Электрический генератор фирмы «Альянс»:

1 – ряды неподвижных магнитов; 2 – несущие диски с катушками- якорями; J, 4 – коллектор; 5-7 – устройство для смещения роликовых токоприемников; 8, 9 – центробежный регулятор

Использование машины фирмы «Альянс» наглядно показало недостатки магнитоэлектрических генераторов: постоянные магниты быстро размагничивались, стержневые якоря, имевшие многослойную обмотку, перегревались, разрушая изоляцию, ток, получаемый от генераторов, был резко пульсирующим.

Исследования изобретателей приводят к необходимости отказа от постоянных магнитов и применению независимого возбуждения электромагнитов от постороннего возбудителя – небольшого магнитоэлектрического генератора [например, генератора англичанина Г. Уайльда (1863)]. Использование таких генераторов привело конструкторов к созданию генераторов с самовозбуждением. Открытие принципа самовозбуждения было одним из важнейших на пути создания генератора постоянного тока современного типа.

На примере открытия принципа самовозбуждения еще раз демонстрируется важнейшая закономерность развития науки и техники: новейшие изобретения и открытия осуществляются и внедряются тогда, когда потребность в них вызвана развитием промышленности, торговли и транспорта (в том числе, морского), а возможность их реализации обусловлена достижениями науки и практики.

На возможность использования электромагнитов для возбуждения магнитного поля в электрических машинах впервые указывали независимо друг от друга в начале 50-х гг. XIX в. В. Зинстеден (Германия) и С. Хиорт (Дания). Но их идеи и конструкции были несколько неожиданны и необычны (а главное – не востребованы), что не привлекли особого внимания и были забыты.

Но в конце 60-х гг. уже был накоплен опыт использования электромагнитов с возбудителем, и, как это часто бывало, почти одновременно известные ученые и изобретатели предложили использовать принцип самовозбуждения, и даже разгорелся спор о приоритете.

Наибольшую известность приобрел доклад крупного немецкого ученого, изобретателя и промышленника В. Сименса (1816-1892), представленный им в январе 1867 г. в Берлинскую академию наук. Он утверждал, что даже «небольшого количества магнетизма, который остается… в неподвижном электромагните, достаточно, …чтобы при возобновлении вращения снова получить в цепи ток».

И почти одновременно с ним в феврале 1867 г. известный английский физик У. Уитстон выступил с докладом в Лондонском королевском обществе с описанием принципа самовозбуждения и анализом схем соединений самовозбуждающихся генераторов. Но вскоре обнаружилось, что в декабре 1866 г. был выдан патент английским инженерам братьям К. и С. Вар- лей, а до них в июле 1866 г. англичанин В. Мюррей установил в машине возбудитель, осуществив самовозбуждение генератора. Но еще раньше, в 1861г., талантливый венгерский физик А. Иедлик впервые построил самовозбуждающийся генератор.

Рис. 5.13. Самовозбуждающийся генератор Грамма:

а – общий вид; б – принципиальная схема; в – конструкция кольцевого якоря

Однако «широкую дорогу» новым машинам открыл В. Сименс, возглавлявший известный электротехнический концерн, назвав сомовозбуждавшийся генератор «динамомашиной». В отличие от других изобретателей Сименс обладал достаточными средствами и условиями для производства динамомашин.

Недостатком новых машин оставался так называемый двух- Т-образный якорь, предложенный Сименсом еще в 1856 г.: но он быстро нагревался, вызывая сильное искрение на коллекторе, резкую пульсацию тока и большие магнитные потери. Как уже отмечалось ранее, еще в двигателе Пачинотти был впервые применен кольцевой якорь. Поэтому революционным событием в истории электрических машин явилось объединение принципа самовозбуждения с кольцевым якорем.

Первый патент на самовозбуждающийся генератор с кольцевым якорем был получен в 1870 г. бывшим столяром фирмы «Альянс» З.Т. Граммом (1826-1901), ставшим видным французским специалистом в области электромашиностроения. На станине 1 (рис. 5.13) укреплялись электромагниты 2 с полюсными наконечниками J, между которыми вращался якорь 4. Щетки, укрепленные в специальных держателях, соприкасались с коллектором 5 почти современного типа. Позднее после разработки методов расчета магнитных цепей конфигурация магнитопровода была усовершенствована.

Рис. 5.14. Электрический генератор с барабанным якорем

Машина Грамма являлась машиной постоянного тока современного типа и получила широкое промышленное применение. Открытый Э.Х. Ленцем еще в 1838 г. принцип обратимости электрических машин с успехом стал использоваться в машине Грамма, и она могла работать как в режиме генератора, так и двигателя. С начала 70-х гг. XIX в. пути развития генераторов и двигателей объединились. Вскоре, в 1873 г., немецкий электротехник Ф. Гефнер-Альтенек предложил заменить кольцевой якорь более современным – барабанным (рис. 5.14). В последующие десятилетия благодаря успехам в изучении магнитных свойств стали, конструирования обмоток и др. электрическая машина постоянного тока к концу 80-х гг. получила современные конструктивные черты.

Создание многофазных систем. Двухфазные генератор и двигатель Н. Теслы, трехфазные системы и асинхронный двигатель М.О. Доливо-Добровольского

Изобретение самовозбуждающихся генераторов и двигателей постоянного тока положило начало массовому применению электрической энергии, и в 80 – 90 гг. XIX в. зарождаются основные электротехнические устройства промышленного и бытового назначения.

Первым массовым потребителем электроэнергии явилась система электрического освещения. В эти же годы зарождается электропривод различных исполнительных механизмов – вентиляторов, насосов, подъемников. Начинается применение электроэнергии на транспорте: в 1879 г. В. Сименсом была построена первая небольшая электрическая дорога на промышленной выставке, а в 1880 г. инженер Ф.А. Пироцкий осуществил опытный пуск электрического трамвая в Петербурге. Тяговые электродвигатели постоянного тока имели хорошие характеристики с удобным плавным регулированием скорости. В 1883-1884 гг. начали действовать трамвайные линии в Англии и Германии, первый трамвай в России был пущен в Киеве в 1892 г.

Для снабжения электроэнергией при крупных предприятиях начали строить «домовые» блок-станции. Но вскоре в связи с увеличением мощности потребителей стало необходимым вырабатывать электроэнергию на центральных электростанциях. Первая крупная электростанция была сдана в эксплуатацию в 1882 г. Эдисоном в Нью-Йорке мощностью около 500 кВт. Она обслуживала главным образом устройства электрического освещения при напряжении 110 В. Но в связи с большими потерями напряжения в сетях станция располагалась в центре города. Точно также первая центральная электростанция в Москве была построена в 1886 г. в Георгиевском переулке близ Охотного ряда. Однако вскоре возможности увеличения радиуса электроснабжения на постоянном токе были исчерпаны (напомним, что потери в сетях обратно пропорциональны напряжению, а постоянный ток было невозможно трансформировать). И уже в конце 80-х – начале 90-х гг. начинается строительство электростанции однофазного переменного тока. Но при этом возникли новые проблемы: однофазные системы, пригодные для питания осветительных установок, усложняли и тормозили развитие электропривода. Однофазные электродвигатели не имели начального пускового момента и требовали для пуска специального «разгонного» двигателя.

Стало очевидным, что электрификация промышленности возможна при условии строительства крупных электростанций в местах, богатых первичными энергоресурсами, с последующей передачей электроэнергии на дальние расстояния и снабжения различных объектов электропотребления.

В 80-х – 90-х гг. XIX в. со всей остротой возникла потребность в решении важнейшей комплексной научно-технической проблемы: осуществления экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создание надежного в эксплуатации электродвигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Ученые и инженеры в разных странах пришли к выводу, что эта проблема может быть успешно решена на основе многофазных систем, из которых наиболее рациональной оказалась трехфазная система.

Исследованиями и экспериментами было установлено, что двухфазные и трехфазные двигатели можно создать, используя явление вращающегося магнитного поля.

К открытию вращающегося магнитного поля независимо друг от друга и почти одновременно пришли два выдающихся ученых – серб Никола Тесла (1856-1943) и итальянец Галилео Феррарис (1847-1897).

Получение вращающегося магнитного поля можно понять из рисунка схемы двухфазных генератора и двигателя Теслы. На статоре электродвигателя (рис. 5.15) укреплены два электромагнита, расположенные взаимно перпендикулярно – один вертикально, другой горизонтально. На полюсах электромагнитов расположена обмотка, концы которой выведены к зажимам источника питания (в данном случае – синхронного генератора). Если к обмоткам электромагнитов подключить два переменных тока, сдвинутых по фазе на 90°, то внутри статора возникнет вращающееся магнитное поле и ротор – в виде двух взаимно перпендикулярных замкнутых катушек начнет вращаться с постоянной скоростью. Если вместо катушек поместить на оси медный цилиндр, то и он придет во вращение.

Рис. 5.15. Двухфазные генератор и двигатель Теслы

Первую заявку на получение патента на многофазные системы Тесла подал в октябре 1887 г, а в мае 1888 г. в докладе на конференции в Американском институте электроинженеров он продемонстрировал свое изобретение. Г. Феррарис сделал свой доклад «Электродинамическое вращение с помощью переменных токов» в Туринской академии наук в марте 1888 г. Профессор Феррарис был известным в Европе ученым, разработавшим теорию переменных токов. Действие вращающегося магнитного поля он наглядно продемонстрировал на модели двухфазного двигателя, хранящейся в музее г. Турина. Но если Феррарис не видел практического применения двигателя, то Тесла не только создал двухфазные генератор и двигатель. По его проекту компания Вестингауз изготовила три двухфазных генератора по 5000 л.с., которые были установлены на самой крупной по тому времени гидростанции на величайшем в мире Ниагарском водопаде, открытие которой состоялось в 1896 г. «под гром пушек и при всеобщем ликовании».

Генератор Теслы (как видно из рисунка) представлял собой статор, на котором укреплялись два постоянных магнита, а ротор состоял из двух независимых катушек, расположенных под прямым углом. Концы катушек выводились на кольца, укрепленные на валу (для наглядности на рисунке эти кольца имеют разные диаметры). Н. Тесла получил более 40 патентов на многофазные системы, в том числе и трехфазные.

Н. Тесла был необыкновенно одаренным человеком. Он родился в хорватском селении Смиляны в семье священника. Уже в реальном училище он обратил внимание учителей на свои способности в математике и физике, в изучении иностранных языков, в умении создавать оригинальные механизмы и устройства. Будучи студентом Высшей технической школы в г. Граце, он проводил в электротехнической лаборатории много экспериментов и высказал своему профессору идею о создании двигателя переменного тока. Видный ученый перед всем курсом пытался опровергнуть доводы своего ученика: «Тесла, – сказал он, – несомненно, совершит великие дела, но осуществить высказанную им идею ему никогда не удастся».

После окончания Высшей технической школы в 1878 г. Тесла начал работать инженером-электриком в Телеграфной компании в Будапеште, но все свое время уделял созданию электродвигателя, пытаясь найти наиболее совершенные конструктивные формы. И в феврале 1882 г. во время прогулки он, взяв трость у своего коллеги, нарисовал на песке схему электродвигателя, принцип действия которого был основан на явлении вращающегося магнитного поля.

Вскоре Тесла уезжает в Париж, где изготавливает модель своего двигателя, демонстрирует его действие группе предпринимателей с целью наладить массовое производство двухфазных двигателей, отличавшихся простотой и надежностью. Но предприниматели не спешили вкладывать деньги в новое, еще неизвестное производство. В 1884 Тесла уезжает в Америку, к Эдисону. Но, как известно, Эдисон долгое время не признавал преимущество переменного тока, поэтому Тесла был вынужден покинуть мастерские Эдисона. Два года Тесла занимался электрическим освещением, но часто был вынужден подрабатывать на жизнь и даже работать грузчиком!

Наконец, весной 1887 г. Тесле с группой единомышленников – сотрудников Телеграфной компании удалось создать общество «Tesla Electric Company» и реализовать свои теоретические разработки. Вскоре им были созданы первые двухфазные генераторы, двигатели и все необходимое оборудование для их практического использования.

Диапазон выдающихся открытий Теслы поистине поразителен: он был автором более 800 изобретений в области электротехники, радиотехники, техники высоких частот, автоматики и телемеханики. В 1891 г. он создал знаменитый «резонанс- трансформатор », позволявший получать высокочастотные напряжения до сотен тысяч вольт. Он много работал над проблемой «передачи осмысленных сигналов и, быть может, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов». В 1898 г. он создал радиосистему для дистанционного управления суднами на расстоянии более 25 миль и ввел термин «телеавтоматика» – технику «управления движениями и действиями автоматов, удаленных на расстояния». Как уже отмечалось, в 1900 г. он писал о возможности создания автоматического устройства, «аналогичного человеческому мозгу». Он сделал огромный вклад в радиотехнику, и американский суд признал его приоритет перед Маркони в создании радио (см. гл. 9). Тесла утверждал возможность осуществления межпланетных радиосообщений. К сожалению, многие прогрессивные идеи Теслы по разным причинам не могли быть претворены в жизнь, но они проложили дорогу многим отраслям современной электротехники и радиотехники и до сих пор – как писал один из биографов – «продолжают волновать исследователей, звать к новым поискам». И не случайно имя Николы Теслы начертано на знаменитой Стене Почета в Страсбурге рядом с именами всемирно известных ученых – Лапласа, Планка, Бора, Эйнштейна, Резерфорда.

Если когда-нибудь будет создан Всемирный музей науки и техники, то, несомненно, среди замечательных его экспонатов почетное место займет электрический двигатель, без которого невозможно представить жизнь современного общества.

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция — Энергетика: история, настоящее и будущее

6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция

Как правило, начиная со времен Гильберта ученые стали выводить законы природы из своих экспериментов. Так как никакой связи между магнитом и заряженным проводником не замечалось, то долгое время считалось, что никакой связи между электрическими и магнитными явлениями не существует. Поэтому, когда в 1802 году итальянский физик Джованни Романьози (1761–1835) заметил, что находящаяся вблизи проводника, по которому течет ток, магнитная стрелка изменяет свое направление, то он совершенно не оценил значения своего наблюдения.

В 1883 году в Вене проводилась электрическая выставка. На ней датчане выставили маленький компас. Незаметная вещь лежала в стороне от основного потока посетителей. А по справедливости следовало бы этот компас поместить в центр выставки, так как от него берет свое начало вся электротехника.

Вторично в начале 1820 года первооткрыватель электромагнетизма датский физик Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле.

На одной из своих лекций по физике он решил продемонстрировать студентам отсутствие связи между электричеством и магнетизмом, включив электрический ток вблизи магнитной стрелки. По словам одного из слушателей, Эрстед был совершенно ошарашен, увидев, как магнитная стрелка после включения тока начала совершать колебания. Эрстед сумел отказаться от своих прежних воззрений (и это является его большой заслугой) и случайное наблюдение принять за экспериментально установленный факт.

Соединив длинным проводом полюсы гальванической батареи, Эрстед протянул провод горизонтально и параллельно подвешенной свободно магнитной стрелке. Как только включали ток, стрелка немедленно отклонялась, стремясь стать перпендикулярно к направлению провода. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону (рис. 6.5, 6.6). Своими опытами Эрстед доказал, что ток производит в окружающем его пространстве маг- нитное действие. Результаты исследования Эрстед изложил в своем знаменитом мемуаре «О воздействии электрического конфликта на магнитную стрелку». В этой работе «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) известен своими трудами по электричеству, акустике, молекулярной физике. Поступив в Копенгагенский университет, он изучает медицину, физику, астрономию, философию, поэзию. В 1806 году становится профессором Копенгагенского университета. 

Эта небольшая, всего в пять страниц, работа Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Сами опыты его были повторены осенью 1820 года швейцарским естествоиспытателем де ля Ривом на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской академии наук Араго, который по возвращении на заседании академии показал опыт Эрстеда, где его впервые увидел Андре Ампер. До конца 1820 года Араго провел ряд исследований, из которых наиболее важным было открытие в 1824 году явления увлечения медного диска вращающимся вблизи него магнитом. Это явление, названное «магнетизмом вращения», долгое время оставалось лишь эффектным физическим опытом. Позднее оно послужило основой многих практических изобретений и, в частности, электродвигателя переменного тока.

Открытие взаимодействия между током и магнитом было важным шагом на пути утверждения идеи единства сил природы и стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента. Ведь по отклонению магнитной стрелки можно было судить о силе проходящего вблизи нее электрического тока.

Сообщение Эрстеда поразило его современников. Каждый, кто имел в своем распоряжении компас и простейший источник тока, стремился собственными глазами увидеть загадочное отклонение магнитной стрелки. В августе 1820 года еще относительно молодой и не вполне опытный, но ставший впоследствии великим, английский физик Майкл Фарадей повторил эти опыты, убедившись, что Эрстед прав: протекание тока в проводе неизбежно вызывало отклонение размещенной поблизости магнитной стрелки. Но правильно истолковать результаты опытов Эрстеда было суждено не Фарадею, а французскому физику Андре Амперу, узнавшему об опытах Эрстеда на месяц позже Фарадея. Этот «докучливый умник Ампер» опередил всех, создав всего за две недели свою стройную теорию образования магнетизма за счет электричества.

Рис. 6.5. Эрстед демонстрирует отклонение магнитной стрелки под действием электрического тока (по рисунку Р.Шторха)

Рис. 6.6. Отклонение магнитной стрелки под действием тока

В том же 1820 году Ампер выступает с сообщением о новом явлении – взаимодействии двух проводников, по которым течет ток, и устанавливает закон этого взаимодействия (позднее названный законом Ампера). В этом сообщении ученый делает вывод, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Согласно гипотезе Ампера, любой магнит содержит внутри себя множество круговых электрических токов, действием которых и объясняются магнитные силы.

В течение очень короткого времени он выполнил ряд важных исследований, блестяще подтверждавших его мысли. Позднее все полученные результаты были систематизированы Ампером в его книге «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», опубликованной в 1826 году.

Андре Мари Ампер (1775–1836) Проводя детство и отрочество в поместье своего отца, Ампер основательно изучил все 20 томов энциклопедического словаря, издававшегося Д’Аламбером и Дидро. К 12 годам Ампер самостоятельно разобрался в основах высшей математики – дифференциальном исчислении, научился интегрировать, а в возрасте 13 лет уже представил свои первые работы по математике в Лионскую академию! Именно Амперу принадлежит заслуга введения в науку терминов «электростатика», «электродинамика», «электродвижущая сила», «напряжение», «гальванометр», «электрический ток» и даже… «кибернетика».

Ампер не только догадался, что при изучении магнитного взаимодействия нужно прежде всего исследовать взаимодействие электрических токов, но сам тут же занялся экспериментальными исследованиями этого взаимодействия. В частности, Ампер экспериментально установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током (сила Ампера), пропорциональна длине проводника, величине тока, проходящего по нему, и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки, в соответствии с которым необходимо расположить левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике, а вектор магнитной индукции входил бы в ладонь перпендикулярно. Тогда большой палец, отогнутый под прямым углом в плоскости ладони, будет указывать направление вектора силы Ампера.

Прошло еще два года, и Ампер открыл магнитный эффект катушки с током. «Всякий проводник с током, – писал Ампер, – создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого образуют круги, концентричные относительно средней линии проводника и лежащие в плоскостях, нормальных к элементам проводника». Магнитное действие электрического тока еще более усиливается, когда проводящая проволока скручена в несколько параллельных колец, изолированных друг от друга. Такую форму проводника Ампер предложил назвать соленоидом.

Соленоид Ампера (рис. 6.7) представляет собой полное подобие магнита. Поместив его концы S 1 и S 2 в сосуды с ртутью таким образом, чтобы весь соленоид мог свободно вращаться вокруг вертикальной

оси, проходящей через S 1 и S 2, и, пропустив через него ток, Ампер установил, что он, как обыкновенный магнит, установится по осевому направлению в плоскости магнитного меридиана. Если приблизить к соленоиду магнит, то одним концом соленоид будет к нему притягиваться, а от другого отталкиваться, причем направление притягивания и отталкивания зависит от направления тока в соленоиде.

Рис. 6.9. Электромагнит

Рис. 6.7. Соленоид Ампера

Рис. 6.8. Соленоид с железнім сердечником

Установленное Ампером соотношение между током и магнитом навело его на мысль искать причину магнетизма в возникновении молекулярных гальванических токов, обтекающих каждую частицу магнитного тела. Металлический стержень, будучи помещен внутрь спирально скрученной изолированной проволоки (рис. 6.8), значительно увеличивает действие последней на магнит или на другой проводник с током. Сам стержень при этом также намагничивается, образуя южный и северный полюсы. По правилу, установленному Ампером, северный полюс образуется на том конце стержня, который будет слева у наблюдателя, перемещающегося по направлению тока и обращенного лицом к магнитному стержню. Следуя этому правилу, можно определить, что у стержня на рис. 6.8 южный полюс будет находится слева, а северный – справа.

Экспериментируя с различными материалами, Ампер установил, что мягкое железо теряет весь магнетизм сразу после прекращения тока, а сталь, наоборот, сохраняет магнитные свойства долгое время после прекращения тока. Еще лучший

эффект достигается с использованием электромагнитов – железных стержней, окруженных проволочной спиральной обмоткой, по которой пропускается электрический ток (рис. 6.9).

Пока продолжается циркуляция тока, им можно пользоваться как обыкновенным магнитом. При этом ток должен быть пропущен в направлении, указанном стрелками. Сила магнита возрастает с увеличением числа витков обмотки и величины протекающего по ней тока. На рис. 6.10 представлен один из образцов промышленных электромагнитов, представляющих собой два вертикальных железных цилиндрических сердечника, укрепленных на горизонтальном железном основании. Каждый из сердечников окружен тремя обмотками с отдельными выводами, благодаря которым можно применять последовательное, параллельное или смешанное соединение обмоток.

Рис. 6.10. Промышленный электромагнит

Явление электромагнетизма было совершенно новой областью, которой начали заниматься физики-исследователи. Наиболее выдающиеся открытия в этой области выпали на долю знаменитого английского физика Майкла Фарадея.

Майкл Фарадей (1791–1867) «Сын кузнеца, подмастерье переплетчика в своей ранней юности, – писал о Фарадее известный русский физик А.Г. Столетов, – Фарадей кончил жизнь членом всех ученых обществ, бесспорно признанным главой физиков своего времени. Никогда со времен Галилея свет не видел стольких поразительных и разнообразных открытий, вышедших из одной головы, и едва ли скоро увидит другого Фарадея».

В 1831 году на лекции в Королевском институте английский физик Майкл Фарадей объясняет открытое им явление электромагнитной индукции. Ученый ясно представляет практическую значимость своего открытия. На вопрос будущего премьер-министра Гладстона, присутствовавшего при объяснении, «Какая же в конце концов от всего этого польза?» Фарадей с достоинством ответил: «Сэр, не лишено возможности, что ещё при моей жизни из всего этого вы будете извлекать налоги». Через несколько дней после открытия электромагнитной индукции Фарадей набрасывает пером на бумаге и строит первый в мире электрогенератор. Очень интересно, что Фарадей изобрел униполярный генератор, то есть наиболее сложный по принципу действия из всех генераторов, известных сегодня. Еще интереснее, что точно такой же по принципу действия генератор Фарадей мог получить еще на 9 лет раньше. Стоило ему самому начать крутить вокруг магнита проволочку своего первого двигателя, а не ждать, пока она закрутится при пропускании тока, и он имел бы электрогенератор! Ведь сейчас каждому школьнику известно, что электродвигатель и электрогенератор обратимы! Но Фарадей не догадался покрутить проволочку вокруг магнитика…

Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы, Фарадей безуспешно пытался каким-то образом показать, что раз уж с помощью электричества Ампер мог создавать магниты, точно так же с помощью магнитов можно создавать электричество. Логика его была проста: механическая работа легко переходит в тепло и, наоборот, тепло можно преобразовать в механическую работу (скажем, в паровозе). Если с помощью электричества получают магнетизм, то, по-видимому, возможно «получить электричество из обычного магнетизма». Такую же задачу поставил перед собой и Ампер в Париже, но он вскоре решил, что задача безнадежна.

Блестящее мастерство Фарадея-экспериментатора и его одержимость дали результат – через 11 лет после опытов Эрстеда. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент в цепи катушки возникает ток. Будь прибор Фарадея не на виду у него или у его ассистента в тот самый момент, когда он вставлял сердечник, неизвестно, сколько времени ему пришлось бы биться над своей задачей.

Интересно, что до Фарадея абсолютно такие же опыты проводил Ампер. Чтобы избежать ошибок, связанных с сотрясением приборов, и Фарадей, и Ампер поместили измерительный прибор в отдельную комнату. Разница, казалось бы, была очень небольшой: Ампер сначала вдвигал сердечник, а потом следовал в соседнюю комнату посмотреть, не появился ли ток. Пока Ампер шел из комнаты в комнату, ток, который возникает лишь во время вдвигания железного сердечника в катушку, то есть во время изменения магнитного поля во времени, уже успокаивался, и Ампер, перейдя в соседнюю комнату, убеждался в том, что «никакого эффекта нет». Фарадей же работал с ассистентом. Можно снова и снова повторять: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!».

Исследования Ампера доказали, что катушка, по которой шел ток от гальванической батареи, обладает свойствами магнита. И Фарадей понял, что задача «превратить в электричество магнетизм» уже решена. Он взял железное кольцо, обмотал его в двух местах медной проволокой, изолированной от кольца, одну обмотку включил в цепь с гальваническим источником, а другую соединил с гальванометром. В момент, когда он пускал ток по одной обмотке, магнитная стрелка гальванометра внезапно отклонялась. Значит, в соединенной с ним обмотке проходил в этот момент ток. Фарадею удалось даже впервые получить искру индукционного тока, сблизив концы проволоки разомкнутой обмотки.

В результате опытов Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике под действием электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила (э.д.с.), вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Он первым ввел представление о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле как физическую реальность. Наведенная э.д.с. меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведенная э.д.с. прямо пропорциональна скорости движения проводника и количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Таким образом, опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в постоянном магнитном поле. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Правильно поняв открытое им явление, Фарадей поставил другой решающий опыт. Он поместил между полюсами сильного магнита медный диск, который можно было вращать от руки. При вращении диска в нем возникал электрический ток, шедший от центра к периферии. С помощью металлических проводников, скользящих по диску в центре и на окружности, ток отводился во внешнюю цепь. Так Фарадей осуществил «превращение магнетизма в электричество».

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению закона о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832 г. русским академиком Э.Х. Ленцем. Он давал возможность предсказывать направление наведенного тока и, кроме того, позволил Ленцу установить важный для электротехники принцип – обратимость генераторного и двигательного режимов электрической машины.

Исследования М. Фарадея и работы Э. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так, в сущности, и устроен современный генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока и активно используется человечеством в настоящее время.

Генераторы электрического тока на заводе, расположенном в маленьком городе Йолотан, в современном Туркменестане на реке Мургаб. На турбинах видны метки, указывающие на то, что они были произведены в Венгрии (из наследия Сергея Михайловича Прокудина-Горского, ок.1907–1915. Цифровое цветное изображение. Отдел эстампов и фотографий, библиотека Конгресса США).

Электромагнетизм и магнитостатика

История развития электромагнетизма

Примерно до середины XIX века все электрические, магнитные явления ученые рассматривали в отдельности, считая их, независимыми друг от друга. Ситуация в физике начала принципиально с открытием гальванизма, который показал связь между химическими и физическими явлениями.

Открытие электромагнетизма связывают с именем Х.К. Эрстеда. Он увлекался немецкой классической философией, в основе которой лежит учение о всеобщей связи и диалектике природы, и много думал о связи теплоты, света, электричества и магнетизма. Результатом своих размышлений Эрстед сделал труд под названием: «Исследование о тождестве электрических и химических сил». Позднее Эрстед открыл, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое в свою очередь действует на ток. Если говорить в современных терминах: он установил, что магнитные силовые линии окружают проводник, по которому идет ток. Ток — вихрь магнитного поля. Так можно сформулировать первый основной закон электродинамики — смысл открытия Эрстеда. Данное открытие привлекло ученых Европы, вызвало сильный резонанс.

Следом за Эрстедом экспериментально установили свой закон, описывающий порождение магнитного поля током Био и Савар. Лаплас математически записал данный закон. Так для замкнутого тока I закон Био-Савара —Лапласа имеет вид:

где $\overrightarrow{r}$ — радиус-вектор, проведенный от элемента тока $Id\overrightarrow{l}$ к точке, в которой ищется индукция магнитного поля ($\overrightarrow{B}$). Интегрирование проводят по замкнутому контуру тока. Считается, что ток является линейным. Для объемных токов закон Био — Савара-Лапласа записывается как:

В формуле (2) интегрирование проводят по всем областям пространства, где присутствуют объемные токи, $\overrightarrow{j}$- плотность тока.

Следующим ученым, которого здесь следует отметить, является Ампер, который внес очень существенный вклад в развитие идей электромагнетизма. Он первым установил, что проводники по которым течет электрический ток, взаимодействуют механически (притягиваются или отталкиваются). Ампер подчеркивал, что это взаимодействие токов коренным образом отличается от того, что проявляется в электростатике. Уже тогда Ампер выдвинул идею устройства телеграфа с помощью электромагнетизма. Эта идея была реализована гораздо позднее американским изобретателем Морзе. Ампер пришел к заключению о том, что магнитный листок эквивалентен круговому току и представил магнит как совокупность электрических токов, которые лежат в плоскостях, перпендикулярных к линии, которая соединяет полюса магнита. Он показал, что соленоид эквивалентен магниту. Ампер выдвинул мысль об отсутствии «магнитных жидкостей» (магнитных агентов). Ампер первым пришел к идее свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Формула (закон) Ампера стоит в ряду важных законов элементарной электродинамики:

Формула (3) показывает, что сила $d\overrightarrow{F}$ в магнитном поле с индукцией $\overrightarrow{B}$ действует на элемент с током $Id\overrightarrow{l}$. Важно то, что взаимодействие элементарных токов не удовлетворяют третьему закону Ньютона. Это новый тип взаимодействий, что и заметил Ампер. Но Ампер еще не знал о существовании поля.

Вопросами полей вплотную занимался М. Фарадей. Он увидел вихревой характер магнитного поля. Связь, установленную Фарадеем между электричеством и магнетизмом, позднее математически описал Максвелл с помощью равенства:

где $\mathcal E$ ЭДС индукции, $Ф$ — магнитный поток, который охватывает проводник с током, в котором индуцируется ток. Формула (4) означает, что магнитное поле окружено вихревым магнитным полем. В векторной форме данный закон имеет вид:

Исследование электрических и магнитных свойств вещества привели Фарадея к идее существования магнитного поля. Что явилось фундаментальным открытием. Фарадей разработал методику исследования нового вида материи.

Если поля статические (независимые от времени), то можно рассматривать электрическое и магнитное поля отдельно друг от друга. Ситуация изменяется радикально, если поля меняются во времени. Переменные электрические и магнитные поля взаимозависимы, поэтому вводится понятие электромагнитного поля и этому полю посвящен раздел, который называют «электромагнетизмом».

Магнитостатика

Определение

Магнитостатика — это раздел электродинамики, который изучает свойства магнитного поля, которое порождается постоянным током.

Основными законами, которые используются в данном разделе физики, являются: закон Ампера (3) во всех его модификациях (для элементарных токов, для параллельных прямолинейных токов) и закон Био-Савара-Лапласа (2).

На основании закона Ампера устанавливают единицы силы тока в системах СИ и СГСМ. Так как ампер равен силе постоянного тока, который при течении по двум параллельным бесконечно длинным прямолинейным проводникам бесконечно малого кругового сечения, находящихся на расстоянии 1м друг от друга в вакууме вызывает силу взаимодействия этих проводников равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр длины.{\frac{1}{2}}}\right].\ $При $L\to \infty \ B_x=\frac{{\mu }_0In}{L}.$

Томские ученые выступили на симпозиуме по электромагнетизму в Японии

В городе Тояма (Япония) прошел один из крупнейших в мире симпозиумов по фундаментальным и практическим вопросам применения электромагнитных колебаний и явлений «Progress in Electromagnetic Research Symposium». В его работе, традиционно, принимают участие ученые Томского политехнического университета.

Международная конференция PIERS является одним из крупнейших в мире научных форумов и проходит ежегодно в различных странах мира. Координатором конференции выступает Академия электромагнетизма (The Electromagnetics Academy, США) при участии ведущих научно-образовательных организаций России, США, Европы, Китая. Тематика конференции охватывает все аспекты исследования и применения электромагнитных колебаний. Количество докладов участников в 2018 году превышает 2 000, больше половины из них представлены ведущими учеными исследовательских центров Европы, Азии, Австралии, Северной и Южной Америки.

Добавим, в этом году, как и в 2016 и 2017 годах, в программе конференции была выделена секция, посвященная методам диагностики и неразрушающего контроля «Noninvasive Examination Techniques in Industry and Biomedicine». Организатором и сопредседателем секции выступил доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Федор Губарев. Кроме того, сопредседателем секции был старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории СВЧ-технологии Андрей Мостовщиков.

«В рамках работы секции были прочитаны несколько докладов, посвященных применению лазерного монитора для наблюдения процессов горения, активации нанопорошков металлов СВЧ-излучением, лазерной спекл-визуализации»,

 — комментирует Федор Губарев.

Он отмечает, что в работе секции участвовали ученые из крупных образовательных и медицинских центров Индии и Японии.

«Доклады, представленные на секции, делились на две категории: медицинские и технологические. Медицинские были посвящены офтальмологии, исследованию биологических жидкостей, визуализации сосудов и структуры кожи. Технологические — неразрушающему контролю коррозии железобетонных конструкций, визуализации процесса горения нанопорошков и активации нанопорошков алюминия. Кроме того, на симпозиуме мы познакомились с коллегами из Университета Маккуори (Австралия). Они занимаются теоретическими исследованиями дифракции электромагнитных колебаний и собственных частот объектов. Мы обсудили возможности для проведения совместных исследований», — уточняет Федор Губарев.

PIERS 2017: электромагнетизм притягивает в Петербург ученых со всего мира

В течение четырех дней более 1300 ученых мирового уровня обсудят самые актуальные проблемы электромагнетизма и его место в повседневной жизни человека.

Симпозиум PIERS — один из самых авторитетных международных форумов для обсуждения и пропаганды передовых достижений теоретической и прикладной электродинамики и ее приложений. Он проходит ежегодно в различных городах Европы, Азии или США. Симпозиум был организован в 1989 году Академией электромагнетизма (США).

Симпозиум PIERS был организован в 1989 году Академией электромагнетизма (США) и уже в 38-й раз собирает самых видных деятелей в этой области. «Наша цель — продвижение и распространение знаний об электромагнетизме не только в научном сообществе, но и значительно шире. Помимо уравнения Максвелла мы обсудим широкий круг вопросов — от оптики и вычислительной математики до микроволнового излучения», — рассказал на пресс-конференции, посвященной открытию симпозиума, президент Академии электромагнетизма, председатель PIERS, профессор Мичиганского университета Лён Цан.

С инициативой проведения PIERS 2017 в Северной столице выступил профессор СПбГУ Иван Андронов, который стал председателем организационного комитета симпозиума.

Последняя крупная конференция, посвященная электромагнитной теории, прошла в СПбГУ в 1995 году в честь 100-летия радио.

Профессор СПбГУ Иван Андронов

Соорганизатором PIERS 2017 в Петербурге выступает СПбГУ — центр становления и развития петербургской физической школы. В Университете трудились многие выдающиеся физики: Э. Х. Ленц; О. Д. Хвольсон; основатель петербургской школы оптики Д. С. Рождественский, ставший учителем знаменитых ученых А. Н. Теренина, Е. Ф. Гросса и С. Э. Фриша. Три выпускника Университета — Н. Н. Семенов, Л. Д. Ландау, А. М. Прохоров — стали лауреатами Нобелевской премии. Неоценимый вклад в разработку теории электромагнетизма и его приложений внесли выдающиеся ученые Университета А. С. Попов и В. А. Фок.

В современном мире результаты исследований в области электромагнетизма используются в самых разных областях: от энергетики и транспорта до медицины и дистанционного зондирования земли и атмосферы. «Благодаря специальным зондам, которые расположены на спутниках, у нас есть возможность изучать процессы, протекающие, как на поверхности земли, так и в толще океана, и в атмосфере. Это позволяет нам изучать климат и его изменение, а также проводить разведку минеральных ресурсов планеты. Например, при помощи микроволн мы можем проследить, как происходит таяние льда в Северном Ледовитом океане и ледниковых щитов в Антарктиде», — отметил профессор Лён Цан.

Наиболее значительный экономический эффект уже сейчас приносят технологии, улучшающие скорость обмена информацией, — широкополосный Интернет, что стало возможным благодаря активному развитию оптоволокна. Другой важной областью применения знаний о свойствах электромагнитного поля является медицина. Так, неотъемлемой частью компьютерного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является источник магнитного поля. По словам профессора Чешского технического университета Яна Врбы, важным дополнением современного курса химиотерапии при лечении раковых заболеваний является микроволновая гипертермия.

Помимо научной проблематики в рамках симпозиума будут обсуждаться вопросы образования и преподавания отдельных направлений физической науки. Какие вызовы стоят перед современными университетами — участники симпозиума определят во время специальной сессии «Образование в электромагнетизме».

Также в программу PIERS 2017 in St. Petersburg вошел конкурс докладов молодых ученых. На первом этапе среди большого числа поступивших заявок было отобрано 30 финалистов. Во время очного этапа эксперты оценят не только актуальность исследований, но и мастерство устной презентации, и определят пять победителей, которые получат денежные вознаграждения.

«Практическое применение электромагнетизма», Математика, химия, физика

Синхрофазотроны

В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи, состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца:

Fл = qBvsin@,.

где B — индукция магнитного поля, то есть его силовая характеристика. @- это угол между направлением скорости и направлением индукции. Но энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Поэтому возникла необходимость создания искусственных источников заряженных частиц высоких энергий — ускорителей.

Радиовещание

После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», предающего информацию с молниеносной быстротой.

Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблём или за самолётом, за поездом или автомобилем. Перекинуть мост через пространство людям помогло радио.

В переводе с латинского «радио» означает «излучать». Первый кирпич в фундамент радиотехники, как мы уже знаем, заложил датский профессор Ганс Христиан Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Его соотечественник и последователь Джеймс Максвелл пришёл к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т. д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле — электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света — 300 000 км/с.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу. Они отличаются только длиной. Видимый свет — это короткие волны, а электромагнитные волны — это волны большей длины.

В 1888 г. их впервые смог получить и исследовать немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Однако путей практического применения своего открытия он не нашел. Эти пути увидел Александр Степанович Попов.

Опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний» — радиоприёмник [«https://yaravtomeh.ru», 25].

7 мая 1895 г. А. С. Попов сделал доклад на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге и продемонстрировал в действии свои приборы связи. Это был день рождения радио.

Первый радиоприёмник Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри — когерер (от латинского слова «когеренция» — «сцепление».

Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал «лёгкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А. С. Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи.

Через 5лет после создания первого приёмника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40 км.

Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 года, ледокол «Ермак» снял с льдины рыбаков, которых шторм унёс в море.

Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи 20 века.

История магнетизма и электричества

600 до н.э. — магнитный камень

Магнитные свойства природных ферритных ферритовых (Fe ₃ O ₄ ) камней (магнитов) были описаны греческими философами.

600 до н.э. — Электрический заряд

Янтарь — желтоватый полупрозрачный минерал. Еще в 600 г. до н.э. греческий философ Аристофан знал об его особенном свойстве: при натирании куска меха янтарь развивает способность притягивать мелкие кусочки материала, например, перья.На протяжении веков это странное, необъяснимое свойство считалось уникальным для янтаря. Этот странный эффект оставался загадкой более 2000 лет, пока примерно в 1600 году нашей эры доктор Уильям Гилберт не исследовал реакции янтаря и магнитов и впервые записал слово «электрический» в отчете по теории магнетизма.

Позже, в 1895 г., Х.А. Лоренц разработал теорию электронов. Теперь мы знаем, что есть три способа производства электричества: статическая, электрохимическая и электромагнитная индукция.

1175 — Первое упоминание о компасе

Александр Некем, английский монах из Сент-Олбанса, описывает работу компаса.

1269 — Первое подробное описание компаса

Петрус Перегринус де Маринкур, французский крестоносец, описывает плавающий компас и компас с точкой поворота.

1600 — Статическое электричество (De Magnete)

В 16 веке Уильям Гилберт (1544–1603), придворный врач королевы Елизаветы I, доказал, что многие другие вещества являются электрическими (от греческого слова янтарь, электрон) и что они обладают двумя электрическими эффектами.При натирании мехом янтарь приобретает смолистое электричество; однако стекло, натираемое шелком, приобретает стекловидное электричество. Электричество отталкивает одно и то же и притягивает противоположный вид электричества. Ученые думали, что трение действительно создало электричество (их слово для обозначения заряда). Они не осознавали, что на мехе или шелке остается равное количество противоположного электричества. Доктор Уильям Гилберт понял, что сила создается, когда кусок янтаря (смолы) натирается шерстью и притягивает легкие предметы.Сегодня, описывая это свойство, мы говорим, что янтарь «наэлектризован» или обладает «электрическим зарядом». Эти термины произошли от греческого слова «электрон», означающего янтарь, и отсюда и возник термин «электричество». Только в конце 19 века это «нечто» было обнаружено как отрицательное электричество, известное сегодня как электроны.

Гилберт также изучал магнетизм и в 1600 году написал «De magnete», который дал первое рациональное объяснение таинственной способности стрелки компаса указывать север-юг: сама Земля была магнитной .«Де Магнет» открыл эру современной физики и астрономии и положил начало веку, отмеченному великими достижениями Галилея, Кеплера, Ньютона и других.

Гилберт записал три способа намагничивания стальной иглы: прикосновением к грузоподъемному камню; холодным волочением в направлении Север-Юг; и при длительном воздействии магнитного поля Земли при ориентации Север-Юг.

1660 — Генератор статического электричества

Отто фон Герике изобретает грубую машину для производства статического электричества.

1729 — Проводники и непроводники

Стивен Грей описывает, что мощность, которой обладает одно наэлектризованное тело, может передаваться другому путем их соединения.

1734 — Электрическое притяжение и отталкивание

Шарль Франсуа де Систерне Дю Фай первым распознал два вида электричества.

1730 — Составной магнит

Servigton Savery производит первый составной магнит, связывая вместе несколько искусственных магнитов с общим полюсным наконечником на каждом конце.

1740 — Первый коммерческий магнит

Gowen Knight производит первые искусственные магниты для продажи научным исследователям и наземным мореплавателям.

1745 — Электрическая сила, конденсатор

Лейденская банка — одна из самых ранних и простых форм электрического конденсатора, независимо изобретенная около 1745 года голландским физиком Питером ван Мушенбруком из Лейденского университета и Эвальдом Георгом фон Клейстом из Померании. Первоначальная лейденская банка представляла собой стеклянную банку с водой с закрытой пробкой, через которую в воду выходила проволока или гвоздь.Банку заряжали, держа ее в одной руке и приводя оголенный конец провода в контакт с электрическим устройством. Если контакт между проводом и источником электричества был прерван, а провод касался другой рукой, происходил разряд, который воспринимался как сильный ток.

Если заряд Q помещается на металлические пластины, напряжение повышается до величины V. Показателем способности конденсатора накапливать заряд является емкость C, где C = Q / V. Заряд проходит от конденсатора так же, как от аккумулятора, но с одним существенным отличием.Когда заряд покидает пластины конденсатора, без подзарядки ничего нельзя получить. Это происходит потому, что электрическая сила консервативна. Выделяемая энергия не может превышать запасенную. Способность выполнять работу называется электрическим потенциалом .

Тип сохранения энергии также связан с ЭДС. Электрическая энергия, получаемая от батареи, ограничена энергией, хранящейся в химических молекулярных связях. И ЭДС, и электрический потенциал измеряются в вольтах, и, к сожалению, термины напряжение, потенциал и ЭДС используются довольно свободно.Например, термин потенциал батареи часто используется вместо ЭДС.

1747 — Стекловидное электричество, сохранение заряда

Бенджамин Франклин (1706-90) был американским печатником, писателем, философом, дипломатом, ученым и изобретателем.

После открытия Гилбертом того факта, что сила электрического заряда создается трением различных материалов, Бенджамин Франклин в 1747 году улучшил это, объявив, что этот электрический заряд существует двух типов электрических сил, силы притяжения и силы отталкивания .(Уильям Уотсон (1715-87) в Англии независимо пришел к такому же выводу.) Чтобы идентифицировать эти две силы, он дал названия, положительный и отрицательный заряды, и чтобы их символизировать, он использовал знаки + и -, обозначающие положительный и отрицательный заряды. the — для отрицательного. Бенджамин Франклин понял, что все материалы обладают одним видом электрической «жидкости», которая может свободно проникать в материю, но не может быть ни создана, ни разрушена. Действие трения просто переносит жидкость от одного тела к другому, электризуя оба.Франклин и Ватсон разработали принцип сохранения заряда: общее количество электричества в изолированной системе постоянно. Франклин определил жидкость, которая соответствует электричеству стекловидного тела, как положительное, а отсутствие жидкости как отрицательное. Следовательно, согласно Франклину, направление потока было от положительного к отрицательному, — противоположное тому, что сейчас считается истинным. В дальнейшем была разработана теория двух жидкостей, согласно которой образцы одного типа притягиваются, а образцы противоположных типов — отталкиваются.

Франклин был знаком с лейденским сосудом (стеклянный сосуд, покрытый изнутри и снаружи оловянной фольгой), как он может хранить заряд и как он вызывал электрошок при разрядке. Франклин задался вопросом, были ли молния и гром также результатом электрических разрядов. Во время грозы 1752 года Франклин запустил воздушного змея с металлическим наконечником. В конце влажной проводящей веревки из конопли, по которой летел змей, он прикрепил металлический ключ, к которому привязал непроводящую шелковую веревку, которую держал в руке.Эксперимент был чрезвычайно опасным, но результаты были безошибочными: когда он держал костяшки пальцев возле ключа, он мог вытянуть из него искры. Следующие двое, которые проводили этот чрезвычайно опасный эксперимент, были убиты.

1750 — Первая книга по изготовлению магнитов

Джон Митчелл издает первую книгу по изготовлению стальных магнитов.

1757 — Power, Steam Engine

Джеймс Ватт (1736-1819) не проводил электрических экспериментов. Он был мастером по профессии и в 1757 году основал ремонтную мастерскую в Глазго.Ватт измерил скорость работы лошади, поднимающей мусор в ствол старой шахты, и обнаружил, что она составляла около 22 000 фут-фунтов в минуту. Он добавил, что запас в 50% составляет . 33000 фут-фунтов равняются одной лошадиных сил.

Джеймс Ватт, также изобрел пароконденсатный двигатель. Его усовершенствования паровых двигателей были запатентованы в течение 15 лет, начиная с 1769 года, и его именем была названа электрическая единица мощности — Ватт. Когда генератор Эдисона был соединен с паровой машиной Ватта, производство электроэнергии в больших масштабах стало практическим предложением.

1767 — Электрическая сила

Уже в 1600 году было известно, что сила притяжения или отталкивания уменьшается по мере разделения зарядов . Эта взаимосвязь была впервые поставлена ​​на числовую или количественную основу Джозефом Пристли, другом Бенджамина Франклина. В 1767 году Пристли косвенно вывел, что, когда расстояние между двумя маленькими заряженными телами увеличивается в какой-то раз, силы между телами уменьшаются на квадрат множителя.Например, если расстояние между зарядами увеличивается втрое, сила уменьшается до одной девятой своего прежнего значения. Доказательство Пристли, хотя и строгое, было настолько простым, что он не стал его настойчиво защищать. Этот вопрос не считался решенным до 18 лет спустя, когда Джон Робинсон из Шотландии провел более прямые измерения задействованной электрической силы.

1780 — Электрический ток

Из-за несчастного случая итальянский ученый 18 века Луиджи Гальвани начал цепочку событий, кульминацией которых стало развитие концепции напряжения и изобретение батареи.В 1780 году один из помощников Гальвани заметил, что рассеченная лягушачья лапа дергалась, когда он касался ее нерва скальпелем. Другой помощник подумал, что в то же время он видел искру от ближайшего заряженного электрогенератора. Гальвани предположил, что электричество было причиной мышечных сокращений. Однако он ошибочно полагал, что этот эффект был вызван переносом особой жидкости или «животным электричеством», а не обычным электричеством.

Эксперименты, подобные этому, в которых лапы лягушки или птицы стимулировались контактом с различными типами металлов, привели Луиджи Гальвани в 1791 г. к выдвижению теории о том, что ткани животных генерируют электричество.Экспериментируя с тем, что он назвал атмосферным электричеством, Гальвани обнаружил, что мышца лягушки подергивается, когда ее подвешивают за медный крючок на железной решетке.

1792 — Электрохимия, гальванический элемент

К 1792 году другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, не согласился: он понял, что главными факторами открытия Гальвани были два разных металла — стальной нож и оловянная пластина, на которых лежала лягушка. . различные металлы, разделенные влажной тканью лягушки, производили электричество.Нога лягушки была просто детектором.

В 1800 году Вольта показал, что когда влага проникает между двумя разными металлами, возникает электричество. Это побудило его изобрести первую электрическую батарею, гальваническую батарею, которую он сделал из тонких листов меди и цинка, разделенных влажным картоном (войлок, пропитанный рассолом).

Таким образом, был открыт новый вид электричества, электричество, которое течет непрерывно, как водяной поток, а не разряжается одной искрой или ударом.Вольта показал, что электричество можно заставить перемещаться из одного места в другое по проводам, тем самым сделав важный вклад в науку об электричестве.

1820 — Электромагнетизм, ток

В 1820 году физик Ганс Кристиан Эрстед узнал, что ток, протекающий по проводу, будет двигать стрелку компаса, расположенную рядом с ним. Это показало, что электрический ток создает магнитное поле.

Андре Мари Ампер, французский математик, посвятивший себя изучению электричества и магнетизма, был первым, кто объяснил электродинамическую теорию.Он показал, что два параллельных провода, по которым протекает ток, притягиваются друг к другу, если токи текут в одном направлении, и противодействуют друг другу, если токи текут в противоположных направлениях. Он сформулировал в математических терминах законы, которые управляют взаимодействием токов с магнитными полями в цепи, и в результате этого от его имени была получена единица электрического тока , , усилитель. Электрический заряд в движении называется электрическим током. Сила тока — это количество заряда, проходящего через данную точку за секунду, или I = Q / t, где Q кулонов заряда проходит за t секунд.Единица измерения тока — это ампер или ампер, где 1 ампер = 1 кулон / сек. Поскольку ток также является источником магнетизма, он является связующим звеном между электричеством и магнетизмом.

1822 — Преобразования Фурье

Барон Жозеф Фурье (1768-1830) был французским математиком. Его метод анализа волн, опубликованный в 1822 году, был результатом его работы о потоке тепла. Он показывает, как любую волну можно построить из более простых волн. Этот мощный раздел математики, преобразования Фурье, внес свой вклад в важные современные разработки, такие как распознавание электронной речи.

1826 — Сопротивление — токи, вызывающие нагрев

В 1826 году немецкий физик Георг Симон Ом исследовал принцип Вольта для электрической батареи и соотношение токов в цепи Ампер. Он отметил, что, когда в цепи был ток, иногда было тепло, и количество тепла было связано с разными металлами. Он обнаружил, что существует связь между током и теплом, существует некое «сопротивление» току в цепи.Обнаружив это, он обнаружил, что если разность потенциалов (вольт) остается постоянной, ток пропорционален сопротивлению. Эта единица электрического сопротивления — ом — была названа в его честь. Он также сформулировал закон, показывающий соотношение между вольт, ампер и сопротивлением , и этот закон был назван «законом Ома», также названным в его честь. Этот закон, каким мы его знаем сегодня, лежит в основе электричества.

1830 — Индуктивность

В 1830 году Джозеф Генри (1797-1878) обнаружил, что изменение магнетизма может заставить токи течь, но он не смог опубликовать это.В 1832 году он описал самоиндукцию — основное свойство индуктора. В знак признания его работы индуктивность измеряется в генри. Затем была подготовлена ​​почва для всеобъемлющей электромагнитной теории Джеймса Клерка Максвелла. Разброс реальных токов огромен. Современный электрометр может обнаруживать токи величиной до 1/10000000000000000 ампер, что составляет всего 63 электрона в секунду. Ток в нервном импульсе составляет примерно 1/100 000 ампер; 100-ваттная лампочка рассчитана на 1 ампер; разряд молнии достигает пика примерно 20 000 ампер; А атомная электростанция мощностью 1200 мегаватт может выдавать 10 миллионов ампер при напряжении 115 В.

1836 — Ячейка Даниэля

В 1836 году Джон Даниэлл (1790-1845) предложил усовершенствованную электрическую ячейку, которая обеспечивала равномерный ток во время непрерывной работы. Ячейка Даниэля дала новый импульс исследованиям в области электричества и нашла множество коммерческих применений. В 1837 году Даниэлю была вручена высшая награда Королевского общества — медаль Копли за изобретение ячейки Даниэля.

1837 — Телеграф, электромагнит

После открытия электрической батареи и электромагнита Сэмюэл Морс (1791-1872) представил электрический телеграф.Закодированные сообщения передавались по проводам с помощью электрических импульсов (обозначенных точками и тире), известных как азбука Морзе. Это действительно было началом использования электроэнергии в коммерческих целях. Электрический телеграф известен как первое практическое применение электричества и первая система электрической связи. Здесь интересно отметить, что в то время почтовое отделение в Австралии играло важную роль в организации связи.

1840 — Механический компьютер

Чарльз Бэббидж (1791–1871), британский математик, сконструировал несколько машин для создания безошибочных таблиц для навигации.Механические устройства будут служить моделями для более поздних электронных компьютеров.

1850 — Термоэлектричество

Томас Зеебек, немецкий физик, открыл «эффект Зеебека». Он скрутил два провода, сделанных из разных металлов, и нагрел соединение в месте их встречи, создав небольшой ток. Ток — это результат перетекания тепла от горячего спая к холодному. Это называется термоэлектричеством. Термо — это греческое слово, означающее тепло.

1854 — Булева алгебра

Джордж Буль был полностью самоучкой.Он опубликовал способ использования символов, который идеально выражает правила логики. Используя эту систему, можно четко и часто упрощать сложные правила.

1855 — Электромагнитная индукция

Майкл Фарадей (1791-1867) англичанин, сделал одно из самых значительных открытий в истории электричества: электромагнитную индукцию. Его новаторская работа касалась того, как работают электрические токи. Многие изобретения явились результатом его экспериментов, но они появились на пятьдесят или сто лет спустя.Неудачи никогда не разочаровывали Фарадея. Он бы сказал; «неудачи так же важны, как и успехи». Он чувствовал, что неудачи тоже учат. Фарад, единица емкости названа в честь Майкла Фарадея.

Фарадей очень интересовался изобретением электромагнита, но его блестящий ум продвинул предыдущие эксперименты еще дальше. Если электричество может производить магнетизм, почему магнетизм не может производить электричество . В 1831 году Фарадей нашел решение.Электричество могло быть произведено посредством магнетизма движением. Он обнаружил, что когда магнит перемещается внутри катушки с медной проволокой, через нее течет крошечный электрический ток. H.C. Эрстед в 1820 году продемонстрировал, что электрические токи создают магнитное поле. Фарадей заметил это и в 1821 году экспериментировал с теорией, согласно которой, если электрические токи в проводе могут создавать магнитные поля, то магнитные поля должны производить электричество. К 1831 году он смог доказать это и с помощью своего эксперимента смог объяснить, что эти магнитные поля представляют собой силовые линии.Эти силовые линии заставят ток течь в катушке с проволокой, когда катушка вращается между полюсами магнита. Затем это действие показывает, что катушки проволоки, перерезанные магнитными силовыми линиями, каким-то странным образом производят электричество. Эти эксперименты убедительно продемонстрировали открытие электромагнитной индукции при производстве электрического тока путем изменения напряженности магнитного поля.

1860 — Arc Lights

По мере того, как практическое использование электричества стало очевидным и электрический телеграф начал работать, вскоре ученые начали искать пути дальнейшего использования этого электричества.Следующим очень важным достижением было внедрение электрической угольной дуги, которая была продемонстрирована в экспериментальной форме в 1808 году сэром Хамфри Дэви. Он использовал большую батарею, чтобы обеспечить ток для своей демонстрации, поскольку эти дуговые лампы требуют сильного тока, а средства механической выработки электричества еще не были разработаны. Принцип этих дуговых ламп состоит в том, что когда два угольных стержня в цепи соединяются, образуется дуга. Эта дуга, которая излучает блестящее накаливание, сохраняется до тех пор, пока стержни просто разъединены и механически подаются таким образом, чтобы поддерживать дугу.Поскольку дуговые лампы потребляли сильный ток от этих батарей, практическое применение они получили только в 1860 году. К этому времени были разработаны адекватные источники генерации, которые затем использовались в основном только для уличного освещения и в кинотеатрах. Хотя дуговое освещение все еще использовалось до начала 1900-х годов, в конечном итоге они были вытеснены лампами накаливания, за исключением того, что большинство кинотеатров используют их в своих проекторах даже сегодня.

1860 — Двигатель постоянного тока

История электродвигателя начинается с Ганса Христиана Эрстеда, который в 1820 году обнаружил, что электричество создает магнитное поле, как упоминалось ранее.Фарадей продолжил это в 1821 году, разработав принцип электродвигателя собственной конструкции. Среди них стоит упомянуть Якоби в 1834 году, Элиас в 1842 году, Фромент в 1844 году и Пачинотти в 1860 году. Пачинотти использовал кольцевую арматуру, которая использовалась в 1860 году и была выдающимся достижением по сравнению с любыми предыдущими попытками. Большинство этих двигателей находились на экспериментальной стадии, но только в 1871 году Зеноб Теофиль Грамм представил свой двигатель, который на самом деле был развитием машины Пачинотти.Этот двигатель был назван первым электродвигателем, имеющим коммерческое значение. В этот период ученые сосредоточились на «двигателе», но тем временем эксперименты с машинами, производящими электричество динамически, продолжались.

1866 — LeClanche Cell

Лекланш (1839–1882) — французский инженер, который примерно в 1866 году изобрел батарею, носящую его имя. В слегка измененном виде батарея Leclanché, теперь называемая сухим элементом, производится в больших количествах и широко используется в таких устройствах, как фонарики и портативные радиоприемники.Эта ячейка состоит из цинкового корпуса, заполненного влажной пастой, содержащей сульфат аммония. В центре этой электролитической пасты находится угольный стержень, покрытый диоксидом марганца, который является сильным окислителем.

1871 — Генератор постоянного тока

С разработкой Эдисоном в 1879 году угольной лампы накаливания, генератор постоянного тока стал одним из важнейших компонентов систем освещения с постоянным потенциалом. Раньше для уличного освещения использовались только дуговые лампы. Затем коммерческое и жилое освещение, к чему стремились изобретатели, стало практичным, и так родилась электроэнергетика и электроэнергетика.Когда Х. К. Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрический ток создает магнитные поля, был разработан двигатель постоянного тока. В 1831 году Майкл Фарадей открыл принцип электромагнитной индукции. Он обнаружил, что перемещение магнита через катушку с проволокой вызывает электрический ток, протекающий по проволоке, поэтому теперь можно разработать электрический генератор. Но только в 1871 году, когда Грамм представил свой двигатель и генератор, электрический генератор стал использоваться в коммерческих целях. К 1872 году Сименс и Хальске из Берлина усовершенствовали генератор Грамма, изготовив якорь барабана.Были внесены и другие улучшения, такие как якорь с прорезями в 1880 году, но к 1882 году Эдисон завершил разработку системы, которую мы все еще используем для распределения электроэнергии от электростанций.

1876 — Телефон

С тех пор, как телеграф был изобретен Самуэлем Морсом в 1837 году, в его использовании были достигнуты большие успехи, но он продолжал работать как телеграфная система, использующая азбуку Морзе для связи. Александр Грэм Белл в 1875 году интересовался телеграфией и понял, что при использовании кода Морзе по телеграфным проводам должны быть другие способы связи с использованием электричества.Он также интересовался акустикой и звуком и работал по принципу, что если азбука Морзе создает электрические импульсы в электрической цепи, некоторые звуковые средства, вызывающие вибрацию в воздухе, могут также создавать электрические импульсы в цепи. В эксперименте он использовал «диафрагму», связанную с электрической цепью, и любой звук, достигающий диафрагмы, вызывал электрические импульсы, которые передавались на другой конец цепи. Тогда они вызовут вибрацию другой диафрагмы на этом конце и будут находиться по отношению к первой диафрагме, следовательно, звук будет электрически передаваться от одного конца цепи к другому.Он продолжал работать над этими экспериментами, и 7 марта 1876 года его телефон был официально запатентован, и была проведена успешная демонстрация в выставочном зале в Филадельфии. Грэм Белл как раз успел запатентовать свой телефон, так как другой изобретатель Элиша Грей также экспериментировал с аналогичным изобретением. Позже Эдисон улучшил диафрагму, которую тогда называли передатчиками, но Белл победил, удостоившись чести изобрести «телефон».

Александр Грэм Белл (1847-1922) родился в Шотландии, вырос в семье, которая интересовалась наукой о звуке.Отец и дед Белла учили глухих речи. Аппарат уровня звука назван в его честь белом. Уровни звука измеряются в десятых бел, или децибелах. Аббревиатура децибела — дБ.

1879 — Генерация постоянного тока, лампа накаливания

Томас Альва Эдисон (1847–1931) был одним из самых известных изобретателей всех времен с 1093 патентами. Самоучка, Эдисон интересовался химией и электроникой. За всю свою жизнь Эдисон получил только три месяца формального обучения и был исключен из школы как отсталый, хотя на самом деле из-за приступа скарлатины в детстве он был частично глухим.

Прошло почти 40 лет, прежде чем Томас Эдисон построил действительно практичный генератор постоянного тока. Среди множества изобретений Эдисона — фонограф и улучшенный печатный телеграф. В 1878 году британский ученый Джозеф Суон изобрел лампу накаливания, а через двенадцать месяцев Эдисон сделал аналогичное открытие в Америке. Позже Свон и Эдисон создали совместную компанию по производству первой практичной лампы накаливания. До этого электрическое освещение было моими примитивными дуговыми лампами.

Эдисон использовал свой генератор постоянного тока, чтобы обеспечить электричеством свою лабораторию, а затем осветить первую улицу Нью-Йорка, освещенную электрическими лампами, в сентябре 1882 года. Однако успехи Эдисона не были бесспорными — хотя он был убежден в достоинствах постоянного тока для выработки электроэнергии, другие ученые в Европе и Америке признали, что постоянный ток имеет серьезные недостатки.

1880 — Слой Хевисайда

Оливер Хевисайд (1850-1925) Британский математик понял, что информация распространяется по кабелю в виде волны в пространстве между проводниками, а не через сами проводники.Его концепции позволили проектировать междугородные телефонные кабели. Он также обнаружил, почему радиоволны огибают Землю. Это привело к дальнему радиоприему.

1880 — Абсолютные температуры, законы Кирхгофа, законы Кулона, магнитный поток, микрофон

Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907) был наиболее известен своим изобретением новой температурной шкалы, основанной на концепции абсолютного нуля температуры. при -273 ° C (-460 ° F). До конца своей жизни Томсон яростно сопротивлялся идее о том, что энергия, излучаемая радиоактивностью, исходит изнутри атома.Одно из величайших научных открытий XIX века, Томсон умер, выступая против одного из самых важных нововведений в истории науки.

Moskowitz, LR: Руководство по проектированию и применению постоянных магнитов , Cahners Books International, Inc. (1976)

В этом месяце по истории физики

Вернувшись в Копенгаген в 1803 году, Эрстед пытался поступить в университет, преподавая физику, но не стал Я сразу же получу его. Вместо этого он начал читать лекции в частном порядке, за вход платный.Вскоре его лекции стали популярными, и в 1806 году он получил назначение в Копенгагенский университет, где он расширил программу физики и химии и основал новые лаборатории. Он также продолжил собственные исследования в области физики и других областей науки. Его первая научная статья была посвящена электрическим и химическим взаимодействиям. Он исследовал множество физических проблем, включая сжимаемость воды и использование электрического тока для взрыва мин.

Эрстед сделал открытие, которым он знаменит в 1820 году.В то время, хотя большинство ученых считали, что электричество и магнетизм не связаны, были некоторые причины полагать, что связь может быть. Например, давно было известно, что компас при ударе молнии может изменить полярность. Эрстед ранее отмечал сходство между тепловым излучением и светом, хотя он не определил, что оба являются электромагнитными волнами. Похоже, он считал, что электричество и магнетизм — это силы, излучаемые всеми веществами, и эти силы могут каким-то образом мешать друг другу.

Во время демонстрации лекции 21 апреля 1820 г., настраивая свой прибор, Эрстед заметил, что, когда он включил электрический ток, подключив провод к обоим концам батареи, находящаяся поблизости стрелка компаса отклонилась от северного магнитного поля. куда обычно указывал. Стрелка компаса двигалась совсем немного, так что публика даже не заметила. Но Эрстеду было ясно, что происходит что-то значимое.

Некоторые люди предположили, что это было совершенно случайное открытие, но мнения расходятся относительно того, была ли демонстрация предназначена для поиска связи между электричеством и магнетизмом или была предназначена для демонстрации чего-то совершенно другого.Конечно, Эрстед был хорошо подготовлен к наблюдению такого эффекта, имея под рукой стрелку компаса и батарею (или «гальванический прибор», как он это называл).

Совершенно случайно или, по крайней мере, несколько ожидаемо, Эрстед был заинтригован своим наблюдением. Он не сразу нашел математическое объяснение, но обдумывал его в течение следующих трех месяцев, а затем продолжил эксперименты, пока не был полностью уверен, что электрический ток может создавать магнитное поле (которое он назвал «электрическим конфликтом»). ).

21 июля 1820 года Эрстед опубликовал свои результаты в брошюре, которая была разослана физикам и научным обществам в частном порядке. Его результаты были в основном качественными, но эффект был очевиден — электрический ток порождает магнитную силу.

Его батарея, гальваническая батарея из 20 медных прямоугольников, вероятно, вырабатывала ЭДС около 15-20 вольт. Он пробовал разные типы проводов и все равно обнаружил, что стрелка компаса отклоняется. Когда он изменил направление тока, он обнаружил, что стрелка отклоняется в противоположном направлении.Он экспериментировал с различной ориентацией иглы и проволоки. Он также заметил, что эффект нельзя устранить, поместив дерево или стекло между компасом и электрическим током.

Публикация сразу произвела фурор и повысила статус Эрстеда как ученого. Другие начали исследовать недавно обнаруженную связь между электричеством и магнетизмом. Французский физик Андре Ампер разработал математический закон для описания магнитных сил между токоведущими проводами.Примерно через десять лет после открытия Эрстеда Майкл Фарадей продемонстрировал, по сути, противоположное тому, что обнаружил Эрстед, — что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Следуя работе Фарадея, Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения Максвелла, формально объединяющие электричество и магнетизм.

Эрстед продолжал заниматься физикой. Он основал Общество по распространению естественных наук, целью которого было сделать науку доступной для общественности, что, по его мнению, было очень важным.В 1829 году он основал Политехнический институт в Копенгагене. Он также был опубликованным писателем и поэтом и внес вклад в другие области науки, такие как химия — например, в 1825 году он впервые произвел алюминий. Эрстед умер в 1851 году. Его открытие 1820 года ознаменовало начало революции в понимании электромагнетизма, обеспечив первую связь между двумя очень разными физическими явлениями.

Хронология событий в электромагнетизме

Человеческое увлечение электромагнетизмом, взаимодействием электрических токов и магнитных полей, восходит к незапамятным временам, когда люди наблюдали за молнией и другими необъяснимыми явлениями, такими как электрические рыбы и угри.Люди знали, что это явление существует, но оно оставалось окутанным мистикой до 1600-х годов, когда ученые начали углубляться в теорию.

Этот график событий, связанных с открытием и исследованиями, которые привели к нашему современному пониманию электромагнетизма, демонстрирует, как ученые, изобретатели и теоретики работали вместе, чтобы совместно продвигать науку.

600 г. до н. Э .: искрящийся янтарь в Древней Греции

Самые ранние сочинения об электромагнетизме относятся к 600 г. до н. Э., Когда древнегреческий философ, математик и ученый Фалес Милетский описал свои эксперименты по натиранию шерсти животных о различные вещества, такие как янтарь.Фалес обнаружил, что натертый мехом янтарь притягивает частицы пыли и волосы, которые создают статическое электричество, и если он протирает янтарь достаточно долго, он может даже получить электрическую искру, чтобы подпрыгнуть.

221–206 до н. Э .: Китайский магнитный компас

Магнитный компас — это древнее китайское изобретение, вероятно, впервые сделанное в Китае во времена династии Цинь, с 221 по 206 год до нашей эры. Компас использовал магнитный камень, магнитный оксид, чтобы указать истинный север. Основная концепция, возможно, не была понята, но способность компаса указывать истинный север была очевидна.

1600: Гилберт и магнитный камень

К концу 16 века «основатель электротехники» английский ученый Уильям Гилберт опубликовал «De Magnete» на латыни, переведенное как «На магните» или «На магнитном камне». Гилберт был современником Галилея, который был впечатлен работами Гилберта. Гилберт провел ряд тщательных электрических экспериментов, в ходе которых он обнаружил, что многие вещества способны проявлять электрические свойства.

Гилберт также обнаружил, что нагретое тело теряет электричество и что влага препятствует электризации всех тел.Он также заметил, что наэлектризованные вещества притягивают все другие вещества без разбора, тогда как магнит притягивает только железо.

1752: Эксперименты Франклина с воздушным змеем

Американский отец-основатель Бенджамин Франклин известен проведенным им чрезвычайно опасным экспериментом, в котором его сын запускал воздушного змея по грозному небу. Ключ, прикрепленный к веревке воздушного змея, зажег и зарядил лейденскую банку, тем самым установив связь между молнией и электричеством. После этих экспериментов он изобрел громоотвод.

Франклин обнаружил, что существует два типа зарядов: положительный и отрицательный: объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются друг к другу. Франклин также задокументировал сохранение заряда, теорию о том, что изолированная система имеет постоянный общий заряд.

1785: Закон Кулона

В 1785 году французский физик Шарль-Огюстен де Кулон разработал закон Кулона, определение электростатической силы притяжения и отталкивания.Он обнаружил, что сила, действующая между двумя небольшими наэлектризованными телами, прямо пропорциональна произведению величины зарядов и изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между этими зарядами. Открытие Кулоном закона обратных квадратов фактически захватило большую часть области электричества. Он также подготовил важные работы по изучению трения.

1789: Гальваническое электричество

В 1780 году итальянский профессор Луиджи Гальвани (1737–1790) обнаружил, что электричество двух разных металлов вызывает подергивание лягушачьих лапок.Он заметил, что мышца лягушки, подвешенная на железной балюстраде медным крючком, проходящим через ее спинной столб, без всякой посторонней причины испытывала сильные судороги.

Чтобы объяснить это явление, Гальвани предположил, что в нервах и мышцах лягушки существует электричество противоположных видов. Гальвани опубликовал результаты своих открытий в 1789 году вместе со своей гипотезой, которая привлекла внимание физиков того времени.

1790: Гальваническое электричество

Итальянский физик, химик и изобретатель Алессандро Вольта (1745–1827) прочитал об исследованиях Гальвани и в своей собственной работе обнаружил, что химические вещества, действующие на два разных металла, генерируют электричество без пользы для лягушки.Он изобрел первую электрическую батарею, гальваническую батарею в 1799 году. С помощью этой батареи Вольта доказал, что электричество можно вырабатывать химическим путем, и развенчал распространенную теорию о том, что электричество генерируется исключительно живыми существами. Изобретение Вольта вызвало большой научный ажиотаж, побудив других провести аналогичные эксперименты, которые в конечном итоге привели к развитию области электрохимии.

1820: Магнитные поля

В 1820 году датский физик и химик Ганс Кристиан Эрстед (1777–1851) открыл то, что впоследствии стало известно как закон Эрстеда: электрический ток воздействует на стрелку компаса и создает магнитные поля.Он был первым ученым, открывшим связь между электричеством и магнетизмом.

1821: Электродинамика Ампера

Французский физик Андре Мари Ампер (1775–1836) обнаружил, что провода, по которым проходит ток, создают силы друг на друга, и объявил о своей теории электродинамики в 1821 году.

Электродинамическая теория Ампера утверждает, что две параллельные части цепи притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одном направлении, и отталкиваются друг от друга, если токи текут в противоположном направлении.Две части цепей, пересекающие друг друга, наклонно притягиваются друг к другу, если оба тока текут либо к точке пересечения, либо от нее, и отталкиваются друг от друга, если одна течет в эту точку, а другая — от этой точки. Когда элемент схемы оказывает силу на другой элемент схемы, эта сила всегда стремится подтолкнуть второй элемент в направлении, перпендикулярном его собственному направлению.

1831: Фарадей и электромагнитная индукция

Английский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) из Королевского общества в Лондоне разработал идею электрического поля и изучил влияние токов на магниты.Его исследования показали, что магнитное поле, созданное вокруг проводника, переносит постоянный ток, тем самым создавая основу для концепции электромагнитного поля в физике. Фарадей также установил, что магнетизм может влиять на лучи света и что между этими двумя явлениями существует взаимосвязь. Он аналогичным образом открыл принципы электромагнитной индукции и диамагнетизма, а также законы электролиза.

1873: Максвелл и основы электромагнитной теории

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), шотландский физик и математик, признал, что процессы электромагнетизма можно установить с помощью математики.Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме» в 1873 году, в котором он суммирует и синтезирует открытия Колумба, Эрстеда, Ампера и Фарадея в четыре математических уравнения. Уравнения Максвелла сегодня используются как основа теории электромагнетизма. Максвелл предсказывает связи магнетизма и электричества, ведущие непосредственно к предсказанию электромагнитных волн.

1885: Герц и электрические волны

Немецкий физик Генрих Герц доказал правильность теории электромагнитных волн Максвелла и в процессе создал и обнаружил электромагнитные волны.Герц опубликовал свою работу в книге «Электрические волны: исследования распространения электрического воздействия с конечной скоростью в пространстве». Открытие электромагнитных волн привело к развитию радио. Единица измерения частоты волн, измеряемая в циклах в секунду, была названа в его честь «герц».

1895: Маркони и радио

В 1895 году итальянский изобретатель и инженер-электрик Гульельмо Маркони применил открытие электромагнитных волн на практике, посылая сообщения на большие расстояния с помощью радиосигналов, также известных как «беспроводная связь».«Он был известен своей новаторской работой в области радиопередачи на большие расстояния и разработкой закона Маркони и системы радиотелеграфа. Его часто называют изобретателем радио, и он разделил Нобелевскую премию по физике 1909 года с Карлом Фердинандом Брауном. «в знак признания их вклада в развитие беспроводного телеграфирования».

Источники

• «Андре Мари Ампер». Сент-Эндрюсский университет. 1998. Интернет. 10 июня 2018 г.
• «Бенджамин Франклин и эксперимент с воздушным змеем.»Институт Франклина. Интернет. 10 июня 2018 г.
• «Закон Кулона». Кабинет физики. Интернет. 10 июня 2018 г.
• «Де Магнет». Веб-сайт Уильяма Гилберта. Интернет. 10 июня 2018 г.
• «Июль 1820 года: Эрстед и электромагнетизм». Этот месяц в истории физики, APS News. 2008. Интернет. 10 июня 2018 г.
• О’Грейди, Патрисия. «Фалес Милетский (ок. 620 до н. Э. — ок. 546 до н. Э.)». Интернет-энциклопедия философии. Интернет.10 июня 2018
• Сильверман, Сьюзен. «Компас, Китай, 200 г. до н. Э.» Смит-колледж. Интернет. 10 июня 2018 г.

5 Вт за 200 лет электромагнетизма

До начала 1800-х годов многие ученые считали электричество и магнетизм двумя не связанными друг с другом явлениями. Ситуация изменилась в 1820 году, когда один профессор сделал во время лекции шокирующее открытие (каламбур): связь между двумя темами. Так родилось изучение электромагнетизма.В связи с празднованием 200-^-й -й годовщины этого открытия давайте взглянем на пять W — кто, что, где, когда, почему — (и как) открытия электромагнетизма.

Ганс Кристиан Эрстед родился в Рудкёбинге, Дания, 14 августа 1777 года. Интерес Эрстеда к науке вспыхнул, когда он начал работать в аптеке своего отца около 12 лет. Следуя по стопам отца, он получил степень фармакологии в Университете им. Копенгаген в 1797 году.Два года спустя Эрстед написал диссертацию, вдохновленную работами немецкого философа Иммануила Канта, и получил степень доктора философии.

Ганс Кристиан Орстед. Эта работа находится в общественном достоянии в Соединенных Штатах, поскольку она была опубликована (или зарегистрирована в Бюро регистрации авторских прав США) до 1 января 1925 года на Wikimedia Commons.

В возрасте 29 лет, после работы менеджером аптеки, Эрстед стал профессором физики в Копенгагенском университете.Там он исследовал электрические токи и акустику. (Забавный факт: Эрстед закрепил за собой должность профессора физики на основе своих исследований фигур Хладни).

В 1824 году Эрстед основал Общество распространения естественных наук (SNU). SNU был разработан с целью предоставить общественности информацию о последних достижениях в области физики и химии. В честь двухсотлетнего года открытия электромагнетизма, 2020 год, SNU отметил проведение лекций и вручение медалей исследователям и учителям средних школ за их вклад в науку и технологии.

Кроме того, многие компании, университеты и организации по всей Дании признали и отметили эту годовщину в течение всего года.

21 апреля 1820 года Эрстед проводил эксперимент на лекции, когда он заметил нечто революционное: электрический ток в проводе, отклоняющий находящуюся рядом намагниченную стрелку компаса. Это открытие было революционным, поскольку подтвердило взаимосвязь между электричеством и магнетизмом и заложило основу для всех современных исследований в области электромагнетизма.

Компас (более современный).

Хотя многие считают, что Орстед сделал свое открытие случайно, по его словам, это был запланированный эксперимент. Через несколько лет после своего открытия он опубликовал статью, написанную от третьего лица, в которой обсуждался оригинальный эксперимент, в которой говорилось:

«План первого эксперимента состоял в том, чтобы заставить ток небольшого гальванического желоба, обычно используемого в его лекциях, проходить через очень тонкий платиновый провод, который помещался над компасом, покрытым стеклом.Подготовка к экспериментам была проведена, но какая-то случайность помешала ему сделать это перед лекцией, он намеревался отложить это до другой возможности; однако во время лекции вероятность ее успеха оказалась выше, поэтому он провел первый эксперимент в присутствии аудитории ».

Как уже упоминалось, до своего открытия Эрстед уже подозревал, что электрические и магнитные эффекты связаны.Во-первых, он не верил в широко распространенное в то время представление о том, что электричество, магнетизм, тепло и другие химические процессы не связаны между собой. Вместо этого, с его философским прошлым, он был склонен полагать, что такие явления, как электричество и магнетизм, производятся одной и той же изначальной силой. Кроме того, уже было известно, что молния может влиять на полярность компаса, еще больше связывая эти два явления.

Важно отметить, что Эрстед подружился и, возможно, нашел вдохновение у нескольких единомышленников, таких как немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер.Как и Эрстед, Риттер также правильно утверждал, что электричество и магнетизм каким-то образом связаны. Обоим ученым понравились верования немецкого философа Фридриха Шеллинга, который однажды сказал: «Все явления коррелируют в одном абсолютном и необходимом законе, из которого они могут быть выведены».

Через три месяца после открытия электромагнетизма, 21 июля 1820 года, Эрстед объявил о своем открытии. По словам Эрстеда, он ждал публикации своих результатов, потому что хотел быть уверенным в своих результатах, поскольку это было бы революционным открытием, которое шло вразрез с большинством научных представлений того времени.Проведя еще несколько экспериментов, он был уверен, что электрический ток создает магнитную силу.

Схема гальванической сваи медь-цинк. Изображение предоставлено Borbrav, версия svg — Луиджи Кьеза. Под лицензией CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons.

Открытие электромагнетизма произошло в революционный период в истории науки. Например, 20 лет назад, в 1800 году, итальянский физик Алессандро Вольта представил гальваническую батарею или первую электрическую батарею.После появления таких сенсационных открытий, ученые ^{-го и} -го века работали над их расширением и разработкой новых устройств. Одним из таких ученых был Майкл Фарадей, который, изучая работу Эрстеда, разработал первый электродвигатель.

Сегодня технологии и мир вокруг нас стали намного более совершенными благодаря электромагнетизму. Помимо разработки первого электродвигателя, это открытие также повлекло за собой разработку других практических устройств, в том числе:

• Амперметр
• Электромагнит
• Трансформатор
• Электрогенератор
• Телеграф электромагнитный

Полная геометрия электрогенератора (слева) и модель трансформатора с электронным сердечником (справа) в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®.

Сегодня такие устройства могут быть дополнительно исследованы и оптимизированы с помощью мультифизического моделирования. Например, изображение слева показывает модель упрощенного электрического генератора в 3D, а модель справа иллюстрирует переходное моделирование однофазного трансформатора с электронным сердечником.

Чтобы отпраздновать 200-летие электромагнетизма, мы с любовью вспоминаем Ганса Христиана Эрстеда за смелое мышление и открытие этой важной области физики!

Дополнительная литература

• Узнайте больше о Гансе Кристиане Орстеде и его работе на следующих ресурсах:
• Узнайте о других ученых, исследовавших электромагнетизм, в блоге COMSOL:
  • Андре-Мари Ампер, французский физик, который помог разработать теорию между электричеством и магнетизмом, узнав об экспериментах Эрстеда
  • Джеймс Клерк Максвелл, шотландский ученый, разработавший уравнения Максвелла или набор уравнений, описывающих взаимодействие электрических и магнитных полей

4 способа, которыми Майкл Фарадей произвел революцию в мире

Родившийся в одной из самых жестких классовых систем в истории, Майкл Фарадей не был предназначен для того, чтобы стать влиятельным человеком.На рубеже 19-го века он провел свое детство в убогой лондонской квартире, имея мало возможностей и не имея формального образования, кроме начальной школы.

Но отсутствие родословной не помешало Фарадею стать одним из самых влиятельных ученых в мире. В 14 лет он начал учиться в местном магазине, где научился переплетному делу. Днем он собирал книги вместе, а по ночам читал их, желая понять загадку электричества. К 21 году Фарадей продолжил свое дело — и, как назло, клиент дал ему билет, чтобы увидеть, как ведущий ученый Хамфри Дэви продемонстрирует чудо электричества.Фарадей не знал, что это станет поворотным моментом в его жизни и жизни общества в целом.

Удивившись лекции Дэви, Фарадей написал книгу, в которой красноречиво изобразил теории ученого. Этот жест произвел впечатление на Дэви, и он нанял молодого Фарадея в ученики. Остальное, как говорится, уже история. Вот лишь несколько причин, по которым Фарадей сделал наш мир таким, каким он является сегодня.

Пройдите тест: какой курс программирования мне подходит?

1. Он открыл электромагнитную индукцию

До того, как Фарадей сделал это на сцене, ученые знали об электричестве, хотя они мало что сделали, чтобы использовать его на практике.Возьмем, к примеру, Джованни Альдини, который отправился в тур по Европе в 1803 году, чтобы убить труп на глазах у публики. В то время электричество было такой загадочной силой, что большинство мирян считали его похожим на магию больше всего на свете.

Фарадей изменил все это, когда в 1831 году открыл электромагнитную индукцию. В ходе своих новаторских экспериментов он обнаружил, что, помещая проводник в изменяющееся магнитное поле, он создает напряжение на проводнике. Проще говоря? Он нашел способ вызвать электрический ток, и это открытие позже было применено ко многим устройствам, которые мы используем сегодня.

Спасибо, мистер Фарадей.

К 40 годам Фарадей изобрел электродвигатель, трансформатор и генератор. Без открытия электромагнитной индукции у нас не было бы беспроводной передачи энергии или звукоснимателей для электрогитары. Совершенно верно: вы можете поблагодарить сладкий, сладкий звук Джими Хендрикса в немалой степени открытиям Фарадея. В общем, Фарадей превратил электричество из исключительно развлечения в практическое и широкое применение.

2. Его изобретения преобразили дом, ферму и фабрику

Забудьте об этом модном холодильнике, который произвольно производит три разных типа кубиков льда.До появления электричества, которое можно использовать, почти все аспекты человеческой жизни функционировали иначе, чем сейчас. Люди во времена Фарадея жили дома с масляными лампами, деревянными ящиками для льда и угольными печами у сухих раковин.

Открытия Фарадея также революционизировали работу мелких фермеров практически во всех возможных смыслах. Электричество устранило ручной труд, такой как откачка воды, так что сельские семьи больше не тратили часы своего дня на то, чтобы таскать воду для скота или в дом.Автоматизированные системы для таких задач, как доение коров, не давали фермерам повредить руки, а угроза пожара коровника из-за опрокидывания масляных ламп во время раннего утреннего доения уменьшилась.

И хотя промышленная революция уже происходила, когда появился Faraway, хлопкоочистительные и электрические ткацкие станки стали старыми новостями, поскольку такие чудеса, как швейные машины и телеграф, изменили способы работы и общения людей. От сотовых телефонов до кондиционеров — современные удобства, которые мы сейчас принимаем как должное, когда-то были всего лишь фантазией, без неустанного удивления и любопытства Фарадея, которые подпитывали их.

3. Он посвятил свою жизнь обучению других

Точно так же, как Фарадей удивлялся лекциям Дэви, у него также было желание передать это благоговение детям и будущим ученым. Как он однажды сказал: «Лектор должен дать аудитории все основания полагать, что все его силы были приложены для их удовольствия и обучения». Фарадей понимал не только важность преподавания, но и энтузиазм и любовь, стоящие за ним. Он происходил от человека, практически не имевшего формального образования, и его приверженность образованию была не чем иным, как экстраординарным.

Фарадей начал ежегодную лекцию и демонстрации для детей, которые продолжались с 1865 года до наших дней, а выдающиеся ученые, такие как Джулиан Хаксли, Дэвид Аттенборо, Карл Саган и Сьюзен Гринфилд, продолжали передавать факел. На протяжении всей своей жизни, даже когда Фарадея десятилетиями боролся с деменцией и депрессией, преданность Фарадея постоянно раздвигала границы науки — и с тех пор мир никогда не был прежним.

4. Он проводил кампанию против лженауки, которая в то время свирепствовала в Англии.Домашние сеансы стали обычным явлением; люди утверждали, что могут разговаривать с умершими родственниками; появились привидения; столы вращались, а предметы летели. Ясновидящие и медиумы представляли на сценах огромной толпе. Некоторые выдающиеся ученые даже приветствовали спиритизм как новую физику. Фарадей видел во всем этом отказ от своих усилий по созданию более научно грамотного общества.

Несмотря на то, что Фарадей, как известно, избегал общественного внимания, он считал своим долгом раскрыть уловки спиритуалистов посредством лекций и демонстраций.Одним из таких приемов было «переворачивание стола». Получив письмо за письмом, в котором объяснялось, что это связано с духами, электричеством, магнетизмом или любым другим числом сил, Фарадей намеревался продемонстрировать, что за этим явлением не стояли никакие сверхъестественные силы. Перед аудиторией, состоящей из «очень благородных» людей, Фарадей построил чувствительный рычаг индикатора на столе, чтобы показать, что поворот стола не был результатом сверхъестественных сил, а просто непреднамеренного механического давления человеческих рук — он повернулся, потому что люди ожидали его повернуть и бессознательно заставили его себя.

Хотите внести свой вклад в развитие технологий? Обучение программированию — один из способов начать! Попробуйте наш бесплатный семинар по программированию или изучите Ruby и изучите JavaScript бесплатно сегодня. Тогда решите для себя: стоит ли того?

Если вы думаете о новой карьере, но не знаете, как профинансировать свой учебный курс, прочтите «Как оплатить учебный курс по программированию» или посетите страницу «Обучение и финансирование».

Ганс Кристиан Эрстед — Биография, факты и изображения

Жил 1777 — 1851 гг.

Ганс Христиан Эрстед начал новую научную эпоху, когда он обнаружил, что электричество и магнетизм связаны. Он экспериментально показал, что электрический ток, протекающий по проволоке, может перемещать ближайший магнит. Открытие электромагнетизма заложило основу для окончательного развития нашего современного мира, основанного на технологиях. Эрстед также открыл химическое соединение пиперин и впервые выделил элемент алюминий.

Объявления

Начало

Ганс Христиан Эрстед (по-датски Орстед) родился в небольшом городке Рудкёбинг на острове Лангеланд, Дания, 14 августа 1777 года.Его отцом был Серен Кристиан Эрстед, фармацевт, а матерью — Карен Хермандсен.

Ганс и его младший брат Андерс получили образование в сочетании с домашним обучением и с частными репетиторами — немецкий мастер по изготовлению париков научил братьев бегло говорить по-немецки. Андерс стал премьер-министром Дании.

• В 12 лет Ханс начал помогать в аптеке своего отца и заинтересовался химией.
• В 16 лет он сдал вступительный экзамен в Копенгагенский университет.
• В возрасте 19 лет, в 1796 году, он получил диплом по фармакологии.
• В возрасте 22 лет в 1799 году он получил степень доктора философии. Сегодня большинство наград Ph.D. (Доктор философии) не созданы для исследования философии, но Ганс Христиан Эрстед — философия природы Иммануила Канта. Как мы увидим, это помогло сформировать его взгляд на мир.

Время жизни Эрстеда в контексте

Время жизни Эрстеда и время жизни ученых и математиков, связанных с ним.

Наука Ганса Христиана Эрстеда

К 1800 году Эрстед был менеджером аптеки. В этом году началась научная революция. Алессандро Вольта объявил подробности своей батареи, открыв новую территорию для химиков и физиков: батарея Вольта впервые позволила им производить стабильный поток электричества, и, к счастью, материалы, необходимые для ее создания, были легко получены.

Эрстед погрузился в новую науку и в 1801 году опубликовал научную статью с описанием изобретенной им новой батареи.Он также описал, как рассчитать количество протекающего электрического тока, измерив скорость производства газа, когда электричество расщепляет воду на водород и кислород.

Датское правительство финансировало Эрстеда для продолжения его образования в других европейских странах — он провел 1801–1803 годы в Германии и Франции.

В Германии на него повлияли идеи философа Фридриха Шеллинга, который считал, что вся природа объединена. В целом Шеллинг считал, что ученые должны стремиться найти теорию, лежащую в основе всей природы, а не использовать эксперименты для изучения отдельных частей природы.

Фридрих Шеллинг, 1775 — 1854

Верке, III

Эрстед впитал большую часть философии науки Шеллинга, но не согласился с его пренебрежением к экспериментальной работе — поскольку фармацевт Эрстед узнал, насколько мощным может быть инструмент для экспериментов. Однако он разделял энтузиазм Шеллинга по поводу единства природы.

Ганс Кристиан Эрстед

Materialen zu einer Chemie des Neunzehnten Jahrhunderts, 1803

В немецком городе Йена Эрстед познакомился и подружился с немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером. Их разделял общий интерес к электричеству. Риттер также с энтузиазмом относился к философии Шеллинга о глубинной гармонии природы — в частности, он был убежден, что электричество и магнетизм тесно связаны.

Профессор Эрстед Педагог

После того, как он вернулся из путешествия, датское правительство профинансировало Эрстеда на продолжение его исследовательской работы.В 1806 году в возрасте 29 лет он стал профессором физики Копенгагенского университета. Он был отличным лектором, и на его классы стекались студенты. Иногда он читал лекции по пять часов в день — очень тяжелая нагрузка. Помимо чтения лекций, он основал физико-химические лаборатории для исследований и обучения.

Открытие электромагнетизма

Знаменитый эксперимент Эрстеда, показывающий, что электричество и магнетизм связаны, состоялся во время лекции 21 апреля 1820 года, когда Эрстеду было 42 года.

В эксперименте он пропускал электрический ток через провод, который заставлял находящуюся рядом стрелку магнитного компаса двигаться.

Эрстед держит провод над магнитной иглой, опирающейся на шарнир. Игла отклоняется, когда по проволоке течет электрический ток.

Оригинальные записи Эрстеда. Он показывает, как электрический ток, протекающий по проводу, заставляет находящуюся рядом намагниченную стрелку компаса вращаться.

В течение следующих нескольких месяцев Эрстед провел еще несколько экспериментов, обнаружив, что электрический ток вызывает круговой магнитный эффект вокруг себя.

Эрстед показал, что электрический ток вызывает круговой магнитный эффект вокруг себя.

Эрстед объявил о своем открытии 21 июля 1820 года в статье, состоящей из четырех страниц на латыни, которая вскоре была переведена на большинство основных европейских языков. Статья Эрстеда на английском языке называлась « Эксперименты по воздействию электрического тока на магнитную иглу» .

К сентябрю 1820 года Франсуа Араго демонстрировал электромагнитный эффект научной элите Франции во Французской академии, что почти сразу же привело Андре-Мари Ампера к следующим шагам в истории электромагнетизма.

Подобно тому, как изобретение Вольта батареи открыло новые горизонты в физике и химии, открытие Эрстедом связи между электричеством и магнетизмом произвело революцию в физике, которая привела нас в наш нынешний цифровой мир.

Йохан Георг Форххаммер, 1794 — 1865

Химик и геолог

Награды

Британское королевское общество наградило Эрстеда медалью Копли 1820 года, высшей наградой в области науки, за открытие электромагнетизма. Предыдущими победителями были Бенджамин Франклин и Алессандро Вольта. Французская академия прислала Эрстеду 3000 золотых франков.

Первым был Эрстед?

Иногда утверждают, что электромагнетизм на самом деле открыл итальянский юрист (и энтузиаст физики) Джан Доменико Романьози.

В 1802 году две итальянские газеты опубликовали сообщения из Романьози о том, как магнитная стрелка отклонялась от батареи, которую он построил.

Сегодня, глядя на его метод, становится ясно, что эксперимент Ромагнози не включал полную электрическую цепь, поэтому электрический ток не мог течь. Без тока не могло быть электромагнитного воздействия.

В эксперименте Ромагнози игла, вероятно, отклонялась из-за накопления на игле статических электрических зарядов, которые двигались в результате взаимного отталкивания одинаковых электрических зарядов.

Итак, Эрстед был первым.

«Химия Эрстеда и выделение алюминия»

Эрстед, будучи профессором физики, с его фармакологическим образованием был увлечен химией.

Сначала он отверг концепцию Антуана Лавуазье об использовании химических элементов как средства рационализации и понимания химии. Эрстед хотел чего-то большего, что соответствовало бы идеям Фридриха Шеллинга «все должно подчиняться единому закону природы».

Он также стремился закрепить химию в идеях философа Иммануила Канта, работы которого он с энтузиазмом изучал для своей докторской диссертации. Кант считал, что материя может быть разделена до бесконечности (то есть не существует атомов) и что вся материя построена из двух фундаментальных противоположных сил, которые находятся в равновесии друг с другом.

На какое-то время это привело молодого профессора Эрстеда к продвижению фантастических теорий венгерского химика Якоба Йозефа Винтерла, который считал, что всю химию можно понять с помощью противостоящих сил двух веществ — Андрония, (принцип кислотности) и Thelycke (принцип щелочности).Винтерл считал, что эти вещества более фундаментальны, чем элементы.

 "Ганс Кристиан Эрстед". Известные ученые. famousscientists.org. 26 сентября 2015 г. Web.
.