Изучение электрического тока и его действия
Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия.
Первые исследования были посвящены изучению химического действия тока. При этом была установлена тесная связь электрических и химических явлений.
В 1800 году англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород, а в 1807 году английский химик Хемфри Дэви (1778—1829), разлагая электрическим током едкие щелочи, открыл новые элементы — калий и натрий, а в следующем году — кальций.
В первые два десятилетия XIX века были получены результаты и в изучении теплового и светового действий тока, а также первые результаты в установлении законов постоянного тока.
Ряд заслуг в этом направлении принадлежит русскому физику и химику Василию Владимировичу Петрову (1761—1834).
В 1805 году он опубликовал результаты своих исследований по электричеству в книге «Известия о Гальвани – Вольтовых опытах». Источником электрического тока в опытах Петрова служила огромная для того времени гальваническая батарея. Построенная им батарея, состояла из 4200 цинковых и медных кружков, которые были уложены горизонтально в четыре ряда в деревянном ящике и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем.
Петров проделал много опытов, изучая химическое, а также тепловое действие электрического тока. В одном из опытов он впервые наблюдал электрическую дугу.
Изучая химическое, тепловое и другие действия тока, Петров сделал некоторые выводы, относящиеся к законам постоянного тока. Так, например, он считал, что проводники обладают различной проводимостью и что свойства проводника определяют вместе с особенностями самой батареи действие тока в цепи. При этом он подчеркивал, что чем больше сечение проводника, тем сильнее действие «Гальвани – Вольтовской жидкости».
Исследования Петрова не были известны за границей. Частично это объясняется тем, что все свои работы Петров печатал только на русском языке. Поэтому, в частности, приоритет открытия электрической дуги был полностью приписан Дэви, опубликовавшему свои опыты с электрической дугой в 1812 году.
Исследовать магнитное действие электрического тока начинают после открытия датским ученым Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851) действия электрического тока на магнитную стрелку.
Уже задолго до открытия Эрстеда были известны факты, указывающие на существовании связи между электричеством и магнетизмом. Еще в XVII в. были известны случаи перемагничения стрелки компаса во время ударов молнии. В XVIII в. после установления электрической природы молнии были сделаны попытки намагнитить железо, пропуская через него разряд лейденской банки, а позже— ток от гальванической батареи. Однако эти попытки не привели к каким-либо определенным результатам.
Открытие Эрстеда, сделанное им в 1819 году и опубликованное в 1820 году, заключалось в следующем. Эрстед обнаружил, что если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Величину момента силы, действующего на магнитную стрелку под влиянием электрического тока, Эрстед не определил. Он только отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от расстояния между ней и током, а также, говоря современным языком, от силы тока (во времена Эрстеда еще не было установлено понятие силы тока).
Теоретические соображения Эрстеда по поводу сделанного им открытия не отличались достаточной ясностью. Он говорил, что в окружающих точках пространства возникает «электрический конфликт», который имеет вокруг проводника вихревой характер. Статью, в которой впервые сообщалось об этом открытии, Эрстед называет «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты.
Так, Доминик Франсуа Араго (1786-1853) показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются.
Французские физики Ж.Б.Био и Ф.Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Поместив магнитную стрелку около прямолинейного проводника с током и наблюдая изменение периода колебаний этой стрелки в зависимости от расстояния до проводника, они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию.
Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон, известный под названием закона Био-Савара-Лапласа.
Новый важный результат в области электромагнетизма был получен в 1820 году французом Андре Мари Ампером (1775—1836).
К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд трудов по математике, физике и химии. Ампер чрезвычайно заинтересовался открытием Эрстеда. Прежде всего, оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить.
Ампер провел свои теоретические и экспериментальные исследования одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше. 18 сентября 1820 году он сообщил Парижской Академии наук о своем открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своем первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 году он ввел термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов. Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид, и многими другими.
В конце 1820 – начале 1821 года им было сделано более десяти докладов. В них Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Ампер показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов и т. д. Он также демонстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов. Свойства магнита он объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов — взаимодействием этих токов. Сначала Ампер считал эти токи макроскопическими, несколько позже он пришел к гипотезе молекулярных токов.
В 1826 году был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов.
В заключение обзора работ Ампера следует отметить, что он ввел понятие «сила тока». Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.
Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Симон Ом (1787—1854).
Прежде всего, Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь.
Для измерения силы тока Ом использовал простейший гальванометр, представляющий собой крутильные весы, на нити которых была подвешена магнитная стрелка. Под стрелкой располагали проводник, включенный в цепь электрического тока. Когда по проводнику протекал электрический ток, магнитная стрелка отклонялась. Поворачивая головку крутильных весов, приводя стрелку в ее первоначальное положение, Ом измерял момент сил, действующих на маленькую стрелку. Как и Ампер, он считал, что величина этого момента пропорциональна силе тока.
Сначала Ом исследовал зависимость силы тока от длины проводника, включенного в цепь. В качестве источника тока он использовал термоэлемент, состоящий из висмута и меди, открытый Томасом Зеебеком (1170-1831) в 1821 г. Висмутовый стержень bb', имеющий форму буквы П, соединен с медными полосами. Ом нашел, что «сила магнитного действия» тока (сила тока) исследуемого проводника определяется формулой
X=a/(b+x)
где х—длина проводника, а и b — постоянные, причем a зависит от возбуждающей силы термоэлемента (erregende Kraft), а b — от особенностей всего остального участка цепи, включая и термоэлемент.
Ом затем установил, что если в цепь включен не один, а m одинаковых источников тока, то «сила магнитного действия тока»
X=ma/(mb+x)
Ом определил также, как зависит сила тока X в проводнике от его длины и поперечного сечения. Он нашел, что
X=(kw) a / L
где k — коэффициент проводимости проводника (Leitungsvermogen), w — поперечное сечение, а L — длина проводника, а — электрическое напряжение на его концах (Electrische Spannung).
Ом исследовал распределение электрического потенциала "электроскопической силы" вдоль однородного проводника с током. Для этого он применял электрометр, который присоединял к разным точкам проводника, когда одна из точек проводника была заземлена. Наконец, Ом попытался теоретически осмыслить обнаруженные им закономерности. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электричества вдоль проводника и проводил аналогию между электрическим током и потоком теплоты.
Ом надеялся, что его экспериментальные работы откроют ему путь в университет, чего он так желал. Однако статьи прошли незамеченными. Тогда он оставил место преподавателя в кельнской гимназии и отправился в Берлин, чтобы теоретически осмыслить полученные результаты. В 1827 г. в Берлине он опубликовал свой главный труд «Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet» («Гальваническая цепь, разработанная математически»).
Эта теория, при разработке которой вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или «электроскопической силы», как ее называет Ом, электропроводности (Starke der Leitung) и силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи.
Теоретические исследования Ома также остались незамеченными, а если кто-нибудь и писал о них, то лишь для того, чтобы высмеять «болезненную фантазию, единственной целью которой является стремление принизить достоинство природы». И лишь лет десять спустя его гениальные работы постепенно начали пользоваться должным признанием: в Германии их оценили Поггендорф и Фехнер, в России — Ленц, в Англии — Уитстон, в Америке — Генри, в Италии — Маттеуччи.
Одновременно с опытами Ома во Франции проводил свои опыты А. Беккерель, а в Англии — Барлоу. Опыты первого особенно замечательны введением дифференциального гальванометра с двойной обмоткой рамки и применением «нулевого» метода измерения. Опыты же Барлоу стоит упомянуть потому, что они экспериментально подтвердили постоянство силы тока во всей цепи. Этот вывод был проверен и распространен на внутренний ток батареи Фехнером в 1831 году, обобщен в 1851 году Рудольфом Кольраушем (1809—1858) на жидкие проводники, а затем еще раз подтвержден тщательными опытами Густава Нидмана (1826—1899).
Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) в работах, относящихся к 1845—1848 годам., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.
Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально в 1843 англичанином Джеймсом Прескотом Джоулем (1818-1889) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля — Ленца.
Открытие явления электромагнитной индукции — важнейшее открытие в области электродинамики. Еще в 1824 году Араго, пытаясь с помощью магнитной стрелки определить присутствие железа в красной меди, обнаружил, что немагнитные вещества тормозят колебательное движение подвешенной магнитной стрелки. Затем он установил, что при вращении медной пластинки возле подвижного магнита последний стремится вращаться в том же направлении, и, наоборот, если вращать магнит, то пластинка в свою очередь стремится следовать за ним.
Опыт Арго сумел объяснить только Майкл Фарадей (1791-1867), открывший явление электромагнитной индукции. Фарадею принадлежит много открытий в области электричества и магнетизма. У Фарадея возникла мысль, что если электрический ток способен вызывать магнитные действия, то и магнетизм должен вызывать электрические явления. В 1823 г. он записывает в своем дневнике эту мысль: «Обратить магнетизм в электричество»; в течение восьми лет он настойчиво работал над поставленной задачей и в 1831 г. решил ее. Впервые явление электромагнитной индукции Фарадей наблюдал на следующем опыте:
«Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были положены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин .... При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобнее же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей.»
Проводя дальнейшие экспериментальные исследования, Фарадей открыл, в частности, случай «образования электричества из магнетизма», когда в проволочной катушке возникал электрический ток в результате движения внутри нее магнита.
Первый существенный шаг в направлении детального количественного изучения явления электромагнитной индукции был сделан в 1834 году петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). Ленц изучал, как зависит индукционный ток в проволочной катушке от ее параметров, используя баллистический гальванометр. При этом он получил ряд новых результатов. В частности, установил, что э. д. с., индуцируемая в катушке, пропорциональна числу витков и не зависит от их диаметра и т. д. Самый важный результат, полученный Ленцем, — установление правила, или закона, носящего его имя. В его редакции оно формулируется так:
«Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».