6.3. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция — Энергетика: история, настоящее и будущее
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).
биография и открытия датского физика
Ханс Кристиан Эрстед (дат. Hans Christian Ørsted, 1777-1851) – великий датский физик, прославившийся на ниве исследования явлений электромагнетизма. Ему удалось правильно объяснить возникновение электродвижущей силы при условии разных температур на концах спаянных проводников, что породило возникновение понятия термоэлектричество.
Ханс Кристиан Эрстед (Hans Christian Ørsted)
Содержание статьи
- 1 Детство и юность
- 2 Первые шаги в науке
- 3 Опыты в области электромагнетизма
- 4 Другие изобретения
- 5 Интересные факты
Детство и юность
Ханс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 года в городе Рюдкобинг, расположенном на датском острове Лангеланд. Его отец работал обыкновенным аптекарем и звезд с неба не хватал, поэтому семья жила небогато. Родители не могли позволить дать своим детям хорошее образование, поэтому Хансу вместе с братом приходилось получать отрывочные знания, которые им преподавали добросердечные соседи – местный пастор, парикмахер, студент и даже землемер.
В результате у будущего физика сложились обобщенные представления о немецком и датском языке, литературе, истории, геологии и других науках.
Чтобы прокормить семью, Ханс с 12 лет стал помогать отцу в аптеке. В этот период жизни он всерьез увлекся медициной и осознал свою тягу к науке. Для подготовки к поступлению в университет, Эрстед выезжает в Копенгаген, где в течение года усиленно штудирует литературу, необходимую для сдачи экзамена. Вскоре в столицу переехал и брат для изучения юриспруденции.
Первые шаги в науке
После поступления в университет, Ханс с упоением изучает различные дисциплины, отдавая предпочтение разностороннему образованию. В этом он изрядно преуспел, заслужив Золотую университетскую медаль за блестяще написанное эссе под названием «Границы поэзии и прозы». Такую же высокую оценку получил его труд, посвященный свойствам щелочей. В дальнейшем он с успехом защитил диссертацию по медицине, за что был удостоен звания фармацевта высшей категории. Это позволило ему получить работу временного управляющего в одной из аптек Копенгагена.
В то же время его не покидало желание преподавать в университете, поэтому Ханс подрядится читать лекции на протяжении нескольких недель без всякой оплаты. В 1806 году в жизни ученого случилось знаменательное событие – к степени доктора философии добавилось звание профессора физики. Теперь он мог на законных основаниях преподавать физику, химию и философию.
Дания в то время находилась на периферии научного мира, и чтобы пополнить запас знаний Эрстед добивается командировки в Германию и Францию, где ученый с интересом слушал лекции своих коллег. В это время он приходит к многозначному выводу о связи всего со всем. Пытливый ум Эрстеда взбудоражили мысли немецкого философа Иоганна Фихте о возможности изучения физических явлений, используя для этого поэзию и даже мифологию. Также огромное влияние на мировоззрение Ханса оказал философ Фридрих Вильгельм Шеллинг с его идеей взаимосвязи и взаимообусловленности.
Подобными переживаниями в это время «болел» еще один известный физик Иоганн Риттер.
В одном из писем другу Эртеду он признался, что нашел взаимосвязь между максимальным наклоном эклиптики и совершением выдающихся открытий в сфере электричества. Автор предсказывал новую волну изобретений в 1819-1820 годах. Вообще, жизненное кредо Риттера было весьма схожим с принципами Эрстеда, который всегда страстно увлекался философией и все время стремился распространять научные открытия в широкие массы.
Опыты в области электромагнетизма
В 1813 году увидела свет работа Эрстеда «Исследования идентичности химических и электрических сил». В ней автор предположил существование связи между магнетизмом и электричеством. Он утверждал наличие влияния тока на магнит и обосновал это довольно простым доводом. Если электричество способно порождать тепло, свет и звук, почему оно не может вызывать магнитные действия. К слову, эта проблема также волновала других ученых – Араго, Ампера и Элиниуса, но только Эрстеду удалось получить столь однозначный ответ.
В феврале 1820 года во время чтения лекции студентам ученый показывал нагревание проволоки с помощью электричества.
Поблизости от нее случайно находился компас. Один из студентов подсказал профессору, что его стрелка реагирует на замыкание/размыкание электрической цепи, поворачиваясь в разные стороны. Ханс сразу заявил, что в присутствии аудитории произошло великое открытие, которого ждали два десятилетия с момента создания первого источника электротока Вольтой.
В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед совершил свое главное открытие — теоретическое обоснование существования электромагнитных волн. Этому способствовал эксперимент с нагревом проволоки электричеством от Вольтова столба
Через несколько месяцев Эрстед повторил этот эксперимент, используя более мощные источники тока. В результате он смог сделать вывод, что магнитный эффект электричества обладает круговым движением вокруг него. Причина такого явления связана с наличием перпендикулярной силы, которая возникает между проволокой и магнитом. Обнаруженный факт никак не стыковался с утвердившимися со времен Ньютона представлениями о действии и противодействии.
Опыт Эрстеда со стрелкой демонстрируется в видео.
Кроме того, Ханс изучал влияние на стрелку проводников, выполненных из различных материалов. В качестве образцов использовалось золото, свинец, латунь, серебро и ряд других металлов. По итогам эксперимента удалось установить наличие магнитных свойств даже у тех материалов, в которых ранее они не отмечались. Получалось, что они приобретали их только после того, как через них был пропущен электрический ток.
Затем физик начал экранировать стрелку от провода другими материалами, обладающими разными свойствами – деревом, смолой, глиной, камнями и всегда стрелка продолжала отклоняться, т.е. экранирования не происходило. Эффект наблюдался даже помещения стрелки в резервуар с водой. Все это позволило сделать вывод, что подобной передачи действия сквозь различные материалы не было у обычного электричества.
Открытие ученого позволило создать чувствительный и эффективный индикатор электротока, а в 1820 году немецкий физик Иоганн Швейггер сконструировал мультипликатор.
Мультипликатор Швейггера — первый в мире гальванометр. Был продемонстрирован в университете Галле 16 сентября 1820 года
Все свои эксперименты и их результаты Эрстед изложил в небольших мемуарах, занявших всего несколько страниц. Он направил их многим авторитетным ученым, настаивая на вихревом характере магнитных явлений. Благодаря этому открытию Ханс получил огромную известность, его приняли в свои ряды многие Академии наук. Все это позволило ученому создать на родине общество, поощрявшее научные разработки.
В 1822 году Эрстед независимо от Жана Батиста Фурье объяснил термоэлектрический эффект, который связан с возникновением электродвижущего потенциала в спаянных разнородных проводниках при условии изменения температуры. Сегодня является общепризнанным факт открытия термоэлектричества немецким ученым Томасом Иоганом Зеебеком, но не стоит забывать, что, проводя свои опыты, он изучал магнитное поле Земли и в этом видел природу описанного явления.
Однако Ханс Эрстед выступил с отдельным докладом на заседании Французской академии наук и уверенно заявил, что в основе описанного коллегой явления лежит электричество. Поэтому датчанин предложил использовать более подходящий термин термоэлектричество, который и укоренился в науке.
Сегодня электромагнетизм нашел широкое применение в различных отраслях науки и производства. В промышленности это явление используется при создании магнитных линз, поездов на магнитной подушке, для записи информации и во многих других сферах.
Поезд на магнитной подушке (маглев, магнитоплан) использует электромагнетизм для левитации и обходится без колёс! Благодаря отсутствую трения между поездом и полотном, скорость магнитоплана может превышать 600 км/ч
В последующем Эрстеду удалось создать первый термоэлемент и сконструировать термоэлектрический генератор, выполненный с использованием шести термопар свинец-висмут. В процессе работы «горячие» спаи подвергались нагреву пламенем, а «холодные» охлаждались в резервуарах с водой.
Зеебек не принял выводы Ханса и до конца своих дней выступал против термоэлектричества, хотя датчанин никогда не присваивал себе открытие этого эффекта. Долгое время практического применения такие устройства не находили по причине откровенно невысокого КПД, который составлял при наличии электродов из чистых металлов менее 1%. Чтобы увеличить КПД впоследствии стали применять полупроводниковые материалы.
Другие изобретения
Объясняя возникновение вихревых движений, возникающих в результате электрического конфликта, Эрстед пришел к убеждению, что они связаны с группой явлений, получивших название поляризация света. В сфере его интересов были жидкости и газы, чью упругость он изучал экспериментально. Ученому удалось сконструировать пьезометр – специальное устройство для измерения объема элементов, находящихся под воздействием гидростатического давления. Сегодня прибор используется для получения точных сведений об объемной упругости веществ, а также изучения фазовых переходов и других физико-химических процессов.
В то время пьезометр внешне был обычным сосудом, заполненным подвергавшейся изучению жидкостью, который погружался открытым концом в ртуть, расположенную на дне резервуара высокого давления. В процессе увеличения давления надо ртутью она начинала перемещаться в сосуд с изучаемой жидкостью. Величина подъема ртути, которая зависела от давления и степени сжимаемости жидкости определялась при рассмотрении в стеклянном пьезометре.
Также Эрстед всерьез интересовался проблемами акустики и намеревался доказать возможность возникновения электрических эффектов за счет воздуха. В 1825 году ему удалось получить чистый алюминий, однако сообщение об этом было опубликовано в малоизвестном издании, и пальма первенства в этом вопросе отошла к Фридриху Велеру.
Ханс Эрстед проводил огромную просветительскую работу. Он стоял у истоков общества по распространению естествознания, с 1829 года в течение многих лет возглавлял политехническую школу в Копенгагене. В 1830 году ученый был избран почетным членом Петербургской академии наук.
Ханс Эрстед ушел из жизни 9 марта 1851 года. Похороны ученого проходили ночью. Попрощаться с ним пришло огромное число людей, среди которых были представители королевской семьи, коллеги, чиновники. В своей стране он стал национальным героем, чья личность была известна каждому датчанину. Многие воспринимали уход из жизни великого физика как личную потерю и благодарили его за то, что он смог приоткрыть некоторые тайны нашего мира.
Интересные факты
- Благодаря Эрстеду, физику признали полноценной дисциплиной в университете Копенгагена, а сам ученый основал первую в стране физическую лабораторию.
- Ханс был награжден французской премией в 3 тысячи франков, учрежденной Наполеоном для ученых, совершивших самые значительные открытия в сфере электричества.
- Став известным, ученый взял под опеку культуру, учредив литературный журнал и поддерживая своего земляка, известного сказочника и тезку Андерсена.
- В честь Эрстеда был назван несложный опыт, который легко повторит любой школьник, насыпав на картонное основание металлические опилки и пропустив через его центр проволоку с электричеством – «вихрь электрического конфликта» будет налицо.
- Ассоциация учителей физики (США) вручает специальную «медаль Эрстеда», которая присуждается учителю года.
Медаль Эрстеда
Открытие электромагнетизма — электричество и альтернативная энергия
Связь между электричеством и магнетизмом долгое время подозревалась, если не была полностью понята. Уильям Гилберт, экспериментировавший с электричеством в начале семнадцатого века, руководствовался желанием улучшить морскую навигацию с помощью магнитных компасов. Многие из экспериментов Бенджамина Франклина были направлены на лучшее понимание связи между электричеством и магнетизмом. Однако самые значительные успехи в понимании этой взаимосвязи были достигнуты в 1800-х годах, начиная с датского ученого Ганса Христиана Эрстеда. В 1820 году Эрстед обнаружил (совершенно случайно), что электрический провод приводит в движение стрелку компаса. Эрстед правильно предположил, что электричество создает магнитное поле, и это наблюдение было основано на других ученых, пытавшихся использовать электричество для создания магнитов.
это открытие, хотя Генри, вероятно, сделал свое открытие примерно в то же время.
Открытие электромагнитной индукции открыло широкий спектр возможных применений электричества. Теперь стало возможным генерировать постоянные токи электричества, а не только короткие всплески, а достижения в технологии аккумуляторов позволили гораздо более эффективно и долго хранить электричество.
Ганс Христиан Эрстед — Биография, факты и фотографии
Жил в 1777 – 1851.
Ганс Христиан Эрстед начал новую научную эпоху, когда он обнаружил, что электричество и магнетизм связаны. Он экспериментально показал, что электрический ток, протекающий по проводу, может двигать соседний магнит. Открытие электромагнетизма подготовило почву для возможного развития нашего современного мира, основанного на технологиях. Эрстед также открыл химическое соединение пиперин и впервые выделил алюминий.
Объявления
Начало
Ганс Кристиан Эрстед (по-датски Ørsted) родился в маленьком городке Рудкёбинг на острове Лангеланд, Дания, 14 августа 1777 года. его матерью была Карен Хермандсен.
Ганс и его младший брат Андерс получили образование благодаря сочетанию домашнего обучения и частных репетиторов — немецкий производитель париков научил братьев бегло говорить по-немецки. Андерс стал премьер-министром Дании.
- В 12 лет Ганс начал помогать отцу в аптеке и заинтересовался химией.
- В возрасте 16 лет он сдал вступительный экзамен в Копенгагенский университет.
- В возрасте 19 лет, в 1796 году, он получил диплом фармаколога.
- В возрасте 22 лет, в 1799 году, он получил степень доктора философии. Сегодня большинство наград Ph.D. (доктор философии) не созданы для изучения философии, но Ганс Христиан Эрстед был — философия природы Иммануила Канта. Как мы увидим, это помогло сформировать его взгляд на мир.
Продолжительность жизни Эрстеда в контексте
Продолжительность жизни Эрстеда и продолжительность жизни связанных с ним ученых и математиков.
К 1800 году Эрстед был управляющим аптекой. В этом году началась научная революция. Алессандро Вольта сообщил подробности о своей батарее, открыв новые возможности для химиков и физиков: батарея Вольты впервые позволила им производить постоянный 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.
Датское правительство финансировало Эрстеда, чтобы он продолжил свое образование в других европейских странах – с 1801 по 1803 год он провел в Германии и Франции.
В Германии на него повлияли идеи философа Фридриха Шеллинга, который считал, что вся природа едина. Довольно грандиозно Шеллинг считал, что ученые должны стремиться найти теорию, лежащую в основе всей природы, а не использовать эксперименты для изучения отдельных частей природы.
«…все явления связаны одним абсолютным и необходимым законом, из которого все они могут быть выведены».
Фридрих Шеллинг, 1775 – 1854
Werke, III
Эрстед впитал большую часть философии науки Шеллинга, но не согласился с его пренебрежением к экспериментальной работе – как фармацевт, инструментальный эксперимент мог быть мощным инструментом.
. Однако он разделял энтузиазм Шеллинга по поводу единства природы.
«Наша физика, таким образом, не была бы больше набором фрагментов о движении, о тепле, о воздухе, о свете, об электричестве, о магнетизме и кто знает о чем еще, но мы включили бы всю вселенную в одну систему».
Ганс Христиан Эрстед
Materialen zu einer Chemie des Neunzehnten Jahrhunderts, 1803
В немецком городе Йена Эрстед познакомился и подружился с немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером. У них был общий интерес к электричеству. Риттер также был в восторге от философии Шеллинга о лежащей в основе гармонии природы — в частности, он был убежден, что электричество и магнетизм тесно связаны.
Профессор Эрстед, педагог
После того, как он вернулся из путешествия, правительство Дании финансировало Эрстеда для продолжения его исследовательской работы. В 1806 году в возрасте 29 лет он стал профессором физики Копенгагенского университета.
Он был прекрасным лектором, и студенты стекались к нему на занятия. Иногда он читал лекции по пять часов в день — очень большая нагрузка. В дополнение к чтению лекций он создал лаборатории физики и химии для исследований и обучения.
Открытие электромагнетизма
В ходе эксперимента он пропускал через провод электрический ток, который приводил в движение расположенную поблизости стрелку магнитного компаса.
Эрстед держит провод над магнитной стрелкой, закрепленной на оси. Стрелка отклоняется, когда по проводу проходит электрический ток.
Оригинальные записи Эрстеда. Он показывает, как электрический ток, протекающий по проводу, заставляет вращаться намагниченную стрелку компаса.
В течение следующих нескольких месяцев Эрстед провел новые эксперименты, обнаружив, что электрический ток создает круговой магнитный эффект вокруг себя.
Эрстед показал, что электрический ток создает 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. Английская статья Эрстеда называлась « Эксперименты по влиянию электрического тока на магнитную стрелку».0055 .
К сентябрю 1820 года Франсуа Араго демонстрировал электромагнитный эффект французской научной элите во Французской академии, что почти сразу же побудило Андре-Мари Ампера сделать следующие шаги в истории электромагнетизма.
Точно так же, как изобретение Вольтой батареи открыло новые горизонты в физике и химии, открытие Эрстедом связи между электричеством и магнетизмом вызвало революцию в физике, которая привела нас в современный цифровой мир.
«Эрстед искал связь между этими двумя великими силами природы. Об этом свидетельствуют его предыдущие сочинения, и я, ежедневно общавшийся с ним в 1818–1819 годах, могу заявить на основании собственного опыта, что мысль об открытии этой все еще таинственной связи постоянно занимала его ум».
Йохан Георг Форчхаммер, 1794 – 1865
Химик и геолог
Награды
Британское Королевское общество наградило Эрстеда медалью Копли 1820 года, величайшей научной наградой, за открытие электромагнетизма. Предыдущими лауреатами премии были Бенджамин Франклин и Алессандро Вольта. Французская академия прислала Эрстеду 3000 золотых франков.
Был ли Эрстед первым?
Иногда утверждают, что электромагнетизм на самом деле был открыт итальянским юристом (и энтузиастом физики) Джаном Доменико Романьози.
В 1802 году две итальянские газеты опубликовали сообщения Романьози о магнитной стрелке, отклоняющейся возле построенной им батареи.
Сегодня, глядя на его метод, становится ясно, что в эксперименте Романьози не использовалась полная электрическая цепь, поэтому электрический ток не мог течь. Без тока не могло бы быть никакого электромагнитного эффекта.
Стрелка в опыте Романьози, вероятно, отклонялась из-за накопления статических электрических зарядов на игле, которая двигалась в результате взаимного отталкивания одинаковых электрических зарядов.
Итак, Эрстед был первым.
Химия Эрстеда и выделение алюминия
Несмотря на то, что Эрстед был профессором физики, с его фармакологическим образованием его привлекала химия.
Сначала он отверг концепцию Антуана Лавуазье об использовании химических элементов как средстве рационализации и понимания химии. Эрстед хотел чего-то большего в гармонии с идеями Фридриха Шеллинга о том, что «все должно подчиняться единому закону природы».
Он также стремился связать химию с идеями философа Иммануила Канта, работы которого он с энтузиазмом изучал для своей докторской диссертации. Кант считал, что материю можно бесконечно делить (т. е. не существует атомов) и что вся материя состоит из двух фундаментальных противодействующих сил, находящихся в равновесии друг с другом.
На какое-то время это побудило молодого профессора Эрстеда продвигать причудливые теории венгерского химика Якоба Йозефа Винтерла, который считал, что вся химия может быть понята противоборствующими силами двух веществ – Andronia (принцип кислотности) и Thelycke (принцип щелочности).
Винтерл считал, что эти вещества более фундаментальны, чем элементы.
«Основополагающие принципы теплоты, которые играют свою роль в щелочах и кислотах, в электричестве и в свете, являются также принципами магнетизма, и, таким образом, мы имеем единство всех сил… и прежние физические науки, таким образом, объединяются в одну объединенная физика».
Ханс Кристиан Эрстед
Materialen zu einer Chemie des Neunzehnten Jahrhunderts, 1803
Однако оказалось, что Andronia и Thelycke не существуют.
Отказавшись от идей Винтерла, Эрстед внес ряд важных вкладов в химию.
В 1819 году он открыл пиперин, химическое соединение, отвечающее за сильный, острый вкус черного перца.
Его самым значительным вкладом было первое в истории выделение элемента алюминия. В 1825 году он сообщил:
кусок металла, который по цвету и блеску чем-то напоминает олово.
Он произвел алюминий путем восстановления хлорида алюминия амальгамой калия и ртути.
Мысленные эксперименты
Сегодня, когда мы слышим слова Мысленный эксперимент , мы часто думаем о знаменитых мысленных экспериментах Альберта Эйнштейна, которые привели его к его теории относительности.
Мысленный эксперимент состоит в том, чтобы задать вопрос: «Что, если…?» а потом логически продумать последствия.
На самом деле Эрстед был первым, кто использовал немецкий термин, ставший известным благодаря Эйнстену: Gedankenexperiment .
Другой знаменитый Ганс Христиан
Ганс Христиан Эрстед подружился с датским писателем Гансом Христианом Андерсоном до того, как писатель стал знаменитым. Эрстед стал поборником сказок Андерсона, помогая опубликовать их в 1835 году.
Некоторые личные подробности и конец
В 1814 году Эрстед женился на Ингер Биргитте Баллум, дочери пастора, и в последующие годы пара три сына и четыре дочери.
Ганс Христиан Эрстед умер в возрасте 73 лет 9 марта 1851 года в Копенгагене после непродолжительной болезни.
Похоронен на кладбище Ассистенс в пригороде Копенгагена Норребро. Это также место последнего упокоения физика Нильса Бора, писателя Ганса Христиана Андерсена и философа Зёрена Кьеркегора.
Объявления
Автор этой страницы: The Doc
Изображения, обработанные и раскрашенные в цифровом виде на этом веб-сайте. © Все права защищены.
Процитировать эту страницу
Пожалуйста, используйте следующую ссылку в соответствии с MLA:
"Hans Christian Oersted." Известные ученые. Сайт известных ученых. 26 сентября 2015 г. Интернет..
Опубликовано FamousScientists.org
Дополнительная литература
Robert C. Stauffer
Спекуляции и эксперименты на фоне открытия Эрстедом электромагнетизма
Isis Vol. 48: стр. 33-50, март 1957 г.
Эндрю Каннингем, Николас Джардин
Романтизм и науки
Архив CUP, 28 июня 1990 г.
Роберт Д.
