электрические явления в середине XIXв.

Состояние учения  об электрических и магнитных явлениях к середине XIX века.

К началу XIX века из области электричества физикам были известна только явления, связанные с электрическим разрядом, вызывающим световые, звуковые и физиологические эффекты, да ещё ряд явлений, связанных с механическими взаимодействиями (притяжение и отталкивание) между наэлектризованными телами. Существовали уже теории электрических явлений – унитарная и дуалистическая, конкурировавшие между собой. Каждая из них имела своих сторонников и своих противников. Уже были известны некоторые законы взаимодействия наэлектризованных тел (законы Кулона),  были известны некоторые приборы для количественной характеристики электрического состояния тел (электроскопы). Для получения электричества кроме примитивных способов (трение, удары) были изобретены уже электростатические машины разного рода. Для накопления электричества были уже изобретены лейденские банки. Уже было сделано разделение тел на проводники и непроводники электричества (изолятор): было установлено тождество между электрическими разрядами и явлением молнии и т.д. Но все имевшиеся сведения не удовлетворяли пытливые умы современников. Человеческий ум стремился познать сущность электричества. Во всех странах велись многочисленные работы по изучению электрических явлений. Они велись и у нас в России, главным образом, в Петровской академии наук.

Основанная Петром Великим, С.-Петербургская академия наук оказалась самым жизненным творением Петра, пережившим все остальные и сохранившимся до настоящего времени. По мысли Петра академия наук должна была быть той вершиной, откуда знания должны были исходить и распространяться, охватывая всё более широкие круги. С XVIII века академия наук в Петербурге и стала действительно центром, вокруг которого сосредоточивалось большинство научных исследований, в том числе исследования в области электричества.

Во второй половине XVIII века особенно замечательные работы в области изучения электрических явлений были выполнены академиками М. В. Ломоносовым (1711 – 1765гг.), Г. В. Рихманом (1724 – 1765 гг.) и Т. У. Эпинусом (1724 – 1803 Г.Г.).

В своём «Слове о явлениях воздушных от електрической силы происходящих», произнесённом на Акте Академии наук в Петербурге в 1753 г., Ломоносов говорил: Франклину в моей теории о причине електрической силы в воздухе я ничего не должен» и далее «доказал я выкладкою, что верхний слой  (воздуха) в нижний не только погрузиться может, но иногда и должен. Из сего основания истолкованы мною многие явления с громовой силой бывающие, которых у Франклина нет и следа». Но Ломоносова особенно интересовал вопрос о сущности и природе электрических явлений. Именно по предложению Ломоносова Академия наук выдвинула в 1753 г.. в качестве конкурсной темы на премию , вопрос о сущности электричества.

Неудовлетворённый введённым ещё в конце XVI века английским учёным, врачом королевы Елизаветы Гильбертом делением тел на «електрические» и «неелектрические», Ломоносов в написанной им программе конкурсной работы рекомендует будущим авторам обратить особое внимание на вопрос о различном отношении тел к электрическим явлениям.

«Пониже тела, — пишет он, — которые по другим свойствам натурою совсем различны на разные роды через електрические явления во едино совокупляются, так что стекло, тело ломкое, твёрдое, постоянное, к приятию пламени не способное и к минералам по большей части принадлежащее, с мягкою, вязкою, летучею и к сожжению способною шёлковою материей, к животным только телам принадлежащею, через первоначальную електрическую силу во един вид соединяются. Так же животное одушевлённое и металл, хотя совсем между собою суть различного рода, однако соединены через производную електрическую силу. Того ради для изобретения подлинной сея материи теории за полезное почитаем и сие, чтобы качества обоего рода тел с осторожностью разсмотреть и приметить, которое из них всем телам, имеющим первоначальную електрическую силу, общие, ибо в противном случае надобно опасаться, чтобы мысль наша, пренебрегши свойствами чувствительных тел и гоняясь за нечувствительными материями, не стали больше снисходить своим воображением, нежели последовать строгости рассуждения».

Приведенные слова Ломоносова показывают, на каком уровне стояли в середине XVIII века знания об электричестве, но в то же время они свидетельствуют о том высоком уровне научного мышления, на котором стоя первый русский академик. Об этом высоком уровне свидетельствуют и другие материалы, относящиеся к той же эпохе.

Г. В. Рихман начал свои работы по электричеству уже в 1744 году. Стремясь получить возможность производить над электрическими явлениями количественные измерения, он придумал прибор, названный им «электрическим указателем» и являющийся первым , по времени появления, «электрометром».

«Электрическим указателем, — пишет Рихман, — я называю такой инструмент, с помощью которого можно определить при различной обстановке наэлектризованность любого тела, притом так, чтобы явствовало, где она больше». Этот прибор, основанный на явлении отталкивания двух наэлектризованных тел. Рихман применял при своих известных работах по изучению молнии. Изучению молнии он уделял много времени и внимания. Он и погиб (в 1753году) от удара молнии во время наблюдения приближавшейся грозы.

Сведения по электричеству были тогда весьма ограничены, но ещё более ограничены были сведения по магнетизму. Они сводились, пожалуй, к знанию механических действий естественных и стальных искусственных магнитов (притяжение и отталкивание) и к знанию свойств магнитной стрелки, применяемых для компасов. Но и эти механические свойства были известны только качественно. Лишь в конце XVIII века (в 1785 году) стал известен количественный закон взаимодействия между полюсами магнита. Ещё не очень далеко было то время , когда учёный иезуит А. Кирхер (в 1734 году) писал в  своей книге, что магнит любит красный цвет и что, будучи завёрнут в красную материю, он становится сильнее и лучше сохраняет свою способность притягивать железо. Учёный иезуит объясняет это свойство магнита тем соображением, что магнит – «царь камней» и, следовательно, ему свойственен пурпур. Наоборот, по сведениям, сообщаемым Кирхером, магнит не выносит чеснока: будучи натёрт чесноком, он теряет значительную часть своей притягательной силы.

Немного раньше книги Кирхера появилось произведение английского учёного врача Гильберта (1540 – 1603гг.) «О магните, магнитных телах и великом магните – земле», в которой автор высказывает ряд весьма интересных мыслей о магнетизме, электричестве и впервые устанавливает различие между электрическими и магнитными явлениями. Гильберту принадлежит и сам термин электричество.

Одним из пионеров идеи о связи между электрическими и магнитными явлениями был русский академик Эпинус. Об этом свидетельствует написанная им «Речь о сходстве электрической силы и магнитной в публичном Собрании Императорской Академии наук…в день 7 сентября 1758 года, говорённая Академии наук профессором физики Ф. У. Эпинусом». В этой речи Эпинус рассматривает вопрос о связи между электрическими и магнитными явлениями и, операясь как на свои исследования, так и на результаты, полученные другими учёными, кончает свою речь словами: «Показал я теперь, Почтеннейшие Слушатели, сходство между электрическою и магнитною силою и, таким образом, намерение своё исполнил». Эпинус говорил только о сходстве электрических и магнитных явлений, не рискуя сделать более смелых выводов. «Из сего можно заключить», писал он, «не только о некоемом союзе и сходстве магнитной и электрической Как известно, прошло три четверти века , пока появились люди, отважившиеся сделать это заключение.

Таким образом, наши пионеры в изучении электрических и магнитных явлений в самую раннюю эпоху изучения высказывали мысли, которые получали общее признание многими десятилетиями позднее, после работ Эрстеда, Ампера, Араго, Фарадея и др. Эти последние работы могли, однако, появиться лишь в последнюю эпоху, после того, как стало известнот новое электрическое явление – явление электрического тока, т. е. после изобретения вольтова столба, который впервые дал возможность получать длящийся электрический ток.

Вольтов столб был изобретен итальянским физиком Алессандро Вольта в 1799 г. Он первый обнаружил появление электродвижущих сил при соприкосновении разнородных металлов. Он же установил различие между проводниками первого класса (металлами) и второго класса (электролитами) и нашел, что, составляя электрическую цепь из проводников обоих классов, можно получить в цепи электрический ток.

Изобретение Вольта вызвало к жизни, как тогда думали, новое электричество. «Не старое и шумное электричество Нолле и Франклина, -писал акад. Дюма,-но электричество Вольта, которое безшумно течет по металлическому проводнику».

Вольтов «столб», «столбик» или «столбец» стал непременной принадлежностью всех лабораторий, где изучались физические и химические явления. Его применили Дэви для своих разнообразных исследований, Фарадей для своих первых работ.  Мощнейший «вольтов столб» построил для своих исследований и русский физик, профессор Медико-хирургической академии в Петербурге, впоследствии член Академии наук, Василий Владимирович Петров (1761-1834). Петрову мы обязаны открытием в  1802 г. того замечательного явления, которое затем получило название вольтовой дуги и которое позднее вновь наблюдал Гемфри Деви (1778-1829 гг.). Это было первое электрическое явление, которое впоследствии получило приложение на практике и которое, следовательно, положило начало новому отделу технических знаний- электротехнике.

Первыми практическими применениями электрического тока были для взрывания мин и для освещения; первыми электрическими лампами были лампы с электрической дугой. Уже сам Петров писал, что при помощи открытого им электрического светового явления «темный покой достаточно освещен быть может».

За открытием электрической дуги последовал ряд других величайших открытий, касающихся электрического тока: были изучены свойства электрического тока, установлена связь между электрическими, магнитными, тепловыми и химическими явлениями, открыто явление термоэлектричества, обнаружено действие магнитного поля на световой луч, найдены законы механического взаимодействия токов между собою и взаимодействия токов и магнитов и, наконец, было открыто явление электромагнитной индукции. Все это было сделано в течение первой половины XIX в. Тогда же великими математиками той эпохи были приложены методы математического анализа к изучению электрических и магнитных явлений. Это привело к блестящим результатам. Теоретическое и экспериментальное изучение явлений магнитных и явлений электрического тока дало исключительно благоприятные результаты. К началу второй половины XIX в. Физики обладали уже богатым запасом знаний по электричеству и магнетизму и, что оказалось особенно важным, владели способами количественного расчета этих явлений и способами их измерений. Серия важнейших открытий и изобретений началась с 1820 г. открытием датского физика Эрстеда (1777- 1851) влияния тока на магнитную стрелку. Явление, наблюдаемое им, было весьма просто. Эрстед установил только факт, что электрический ток, получаемый от вольтова столба, проходя по проводнику, оказывает механическое воздействие на находящуюся вблизи магнитную стрелку и стремится поставить ее перпендикулярно к проводнику, но значение этого наблюдения было огромно: им впервые устанавливался факт существования вокруг проводника с током определенного магнитного поля.

Уже в том же 1820 г. Араго (1786- 1853) при помощи создаваемого электрическим током магнитного поля намагнитил кусок стали и построил, таким образом, первый электромагнит со стальным сердечником. Позже были построены электромагниты с сердечником из мягкого железа. В 1822 г. Фарадей установил, что проводник, по которому проходит электрический ток, стремится вращаться вокруг магнитного полюса. Это наблюдение Фарадея было в дальнейшем использовано изобретателями электродвигателей.

В 1820 г. Ампер (1775 – 1836) открыл явление взаимодействия между токами и в 1823 г. дал полную математическую обработку своих наблюдений, положив, таким образом, начало новому отделу науки об электричестве – электродинамике. В 1824 году Араго наблюдал успокаивающее действие медной или иной пластинки из проводящего материала на качающуюся магнитную стрелку, которая как будто погружалась в вязкую среду. Араго сделал из этого наблюдения вывод, что если медная пластинка может задерживать колебания магнита, то если эту пластинку заставить вращаться, она увлечёт за собой магнитную стрелку. Опыт подтвердил предположение Араго , и, таким образом, было открыто явление, названное «магнетизмом вращения».

Другие наблюдатели видоизменили опыт и, вращая магнит, заставляли вращаться помещённый над ним медный диск. В этом последнем виде, много лет позже, явление было использовано М. О. Доливо-Добровольским для создания электродвигателей с вращающимся магнитным полем. Причины явления , названного «магнетизмом вращения», были во время его открытия совершенно непонятны и были объяснены только после открытия Фарадеем в 1831 г. явления электромагнитной индукции.

В 1823 году Зеебеком (1770 – 1831) было открыто явление термоэлектричества, вызвавшее и вызывающее до сих пор ряд попыток осуществить заманчивую идею непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую.

В 1827 году немецким физиком Омом (1787 – 1854) было найдено соотношение между силой тока, электродвижущей силой источника тока и величинами, характеризующими проводник, по которому проходит ток. Это был знаменитый «закон Ома». Только знакомясь с трудами в области электричества, появившимися до установления закона Ома и введения понятия об «электрическом сопротивлении» проводников, можно понять, какое значение имело открытие этого закона и какую ясность и точность этот закон позволил ввести во все расчёты электрических цепей.

Последовавшее затем установление закона Киргофа для разветвлённых цепей ещё более облегчило понимание и расчёты явлений в сложных электрических цепях.

1831 год ознаменовался открытием Фарадеем явления электромагнитной индукции. По своему научному и практическому значению это открытие имеет мало себе равных. Открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции не явилось делом случая, наоборот, оно было следствием долгих размышлений и многолетних экспериментов. Если электрический ток в проводнике способен образовывать в окружающем его пространстве магнитное поле, то несомненно должно существовать и обратное явление, когда существование магнитного поля обуславливает появление электрического тока. Так рассуждал Фарадей и уже в 1822 году записал в своём дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». Это задание он выполнил только в 1831 году. В 1833 году академик Ленц (1804 – 1865 гг.) сделал в Петербургской академии наук доклад о своих исследованиях над взаимодействием токов и магнитов, результатом которых явилось установление закона, выражающего связь между направлениями токов и их электромагнитными и электродинамическими взаимодействиями. Закону этому, известному ныне под именем «закона Ленца» , сам Ленц дал название: «Правило, по которому происходит сведение магнитоэлектрических явлений в электромагнитные». В своих работах Ленц устанавливает, что каждому электромагнитному явлению соответствует некоторое магнитоэлектрическое явление. Установление закона Ленца имело чрезвычайно большое значение. Задолго до установления Гельмгольцем принципа сохранения энергии Ленц выразил ту же идею в своём законе: «приближая проводник с током к другому замкнутому проводнику, мы возбуждаем в этом последнем ток. Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике, направление тока в котором должно быть таково, чтобы препятствовать перемещению первого проводника, т. е. чтобы проводники отталкивались».

В 1834 году Фарадей устанавливает закон электролиза, явления открытого еще 1800 году, и, таким образом, находит способ установить количественные соотношения между явлениями электрическими и химическими.

В 1837 году Фарадей выясняет роль диэлектриков и электрических явлений. В 1845 году он находит количественные соотношения между явлениями магнитными и световыми, открыв явления магнитного вращения плоскости поляризации светового луча и установив зависимость в определённых случаях угла вращения от величины магнитного поля. Это явление, влияния магнитного поля на световой луч, послужило базой для многих замечательных открытий.

В том же году Фарадей устанавливает разницу между парамагнитными и диамагнитными телами.

В 1843 г. академиками Линцем и Джоулем был установлен закон тепловых действий электрического тока (закон Ленца – Джоуля), связавший количественно электрические явления с тепловыми, и, через их посредство, с механическими. Было, таким образом, установлено понятие об электрической энергии и об её количественной связи с механической энергией.

В первой половине XIX века был сделан ещё целый ряд открытий и исследований в области электричества и магнетизма, имевших так же большое значение. Таким образом, накопилось много теоретических и практических сведений, которые позволили уже надеяться осуществить мечту, зародившуюся в умах физиков уже очень давно, — мечту применить электрическую энергию для удовлетворения хозяйственных и культурных нужд человека. Осуществлением этой старой мечты занялись уже, главным образом, во второй половине XIX века, многочисленные пионеры – электрики, в числе которых было немало русских учёных и изобретателей, работы которых послужили первым этапом развития целых областей электротехники.

М. А. Шателин. Русские электротехники.

 

 

Добавить комментарий