Взаимодействие электрического тока и магнита

Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, проведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды первого русского электротехника, профессора физики Санкт-Петербургской медикохирургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761-1834) : в них впервые была показана и доказана возможность практического применения электричества.Поистине трагическая судьба постигла этого выдающегося ученого, который в истории русской физики, по словам бывшего президента Академии наук СССР академика С. И. Вавилова, по значению своих трудов «непосредственно следует за М. В. Ломоносовым». Какие же заслуги нужно было иметь сыну скромного приходского священника в г. Обояни (Курской губернии), чтобы удостоиться звания академика Петербургской академии наук, значительная часть членов которой имела знатное происхождение, а многие были иностранцами! Несмотря на то что В. В. Петров был не только талантливым физиком и химиком, но и блестящим педагогом, основателем первого крупного физического кабинета, «превосходнейшего во всей Российской империи», он постоянно испытывал враждебное отношение официальных кругов. После смерти В. В. Петрова делается все для того, чтобы имя его было забыто. И это удалось: целое поколение русских физиков в течение полувека (1834-1886) ничего не знали о своем выдающемся соотечественнике. И только в 1886 г. был обнаружен его главный труд «Известия о гальвани- вольтов- ских опытах» (СПб., 1803). Книга вызвала огромный интерес. Видные физики выступают с докладами о вкладе В. В. Петрова в отечественную электротехнику, в 1887 г. в журнале «Электричество» появляется первая статья о забытом русском ученом.

В 30-х гг. ХХ в. были проведены более полные исследования трудов В. В. Петрова, а в 1935 г. Президиум ЦИК СССР принял постановление «Об ознаменовании столетия со дня смерти первого русского электротехника академика В. В. Петрова». В своих трудах по электричеству В. В. Петров собрал обширный опытный материал, который им был тщательно проанализирован: он глубоко понимал значение эксперимента для всестороннего изучения явлений природы. В. В. Петров писал: «...гораздо надежнее искать настоящего источника электрических явлений не в умствованиях, к которым доселе только прибегали почти все физики, но в непосредственных следствиях самих опытов».

Будучи хорошо знакомым с опытами, проводимыми с вольтовым столбом как в России, так и за границей, В. В. Петров пришел к правильному выводу о том, что наиболее полное и всестороннее изучение гальванических явлений возможно только при условии создания большой батареи, т. е. в современной терминологии - источника электрической энергии высокого напряжения. Поэтому он добивается у руководства Санкт-Петербургской медико-хирургической академии выделения средств для постройки «такой огромной величины батареи, чтобы оною можно было надежнее производить такие новые опыты», каких не производил никто из физиков.

В апреле 1802 г. батарея В. В. Петрова, состоявшая из 4200 медных и цинковых кружков, или 2100 медно-цинковых элементов (В. В. Петров называл ее «огромная наипаче батарея»), была готова. Она располагалась в большом деревянном ящике, разделенном по длине на четыре отделения (рис. 2.5). Стенки ящика и разделявших его перегородок были покрыты сургучным лаком. Общая длина гальванической батареи В. В. Петрова составляла 12 м - это был крупнейший в мире источник электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи В. В. Петрова, электродвижущая сила этой батареи составляла около 1700 В, а максимальная полезная мощность - 60-85 Вт. Ток короткого замыкания батареи не превышал 0,2 А. Вначале В. В. Петров производил, как он указывал, уже известные опыты других физиков, а потом старался производить и такие опыты, «...о которых дотоле не имел никакого известия».В. В. Петрову было хорошо известно, с каким интересом относятся в России к изучению явлений электрического тока. Поэтому в своей книге он подробно описал не только опыты с гальванической батареей, но и способы ее изготовления, ухода за ней, методику экспериментов и т. п.В книге В. В. Петрова описаны его опыты по электролизу различных жидкостей, исследованию явлений прохождения электрического тока в разреженном воздухе, наблюдению «светоносных» явлений, сопровождающих действие электрического тока, изучению тепловых действий тока.

В. В. Петров впервые подошел к пониманию того, что действие батареи основано на химических процессах, происходящих в медно-цинковом гальваническом элементе, и правильно установил роль крайних металлических кружков, которые служили лишь проводниками электричества. Он также верно указал на то, что окисление поверхности металлических кружков вызывает ослабление действия батареи.Петровым была впервые установлена важнейшая закономерность в электрической цепи - зависимость тока в проводнике от площади поперечного сечения проводника. Он правильно указал на то, что при увеличении площади поперечного сечения проводника ток в нем возрастает. Поэтому В. В. Петров раньше всех предшественников Г. Ома, сформулировавшего в 1826 г. известный закон, носящий его имя, установил, что через вещества, обладающие большим сопротивлением, гальвани-вольтовская жидкость может протекать лишь тогда, когда «количество ее весьма знатно увеличится», т. е. в современной терминологии - при повышении напряжения в цепи. Термин «сопротивление» введен в электротехнику В. В. Петровым.

Открытие электрической дуги и ее практическое использование

Наибольший интерес из всех работ В. В. Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами созданного им источника высокого напряжения. Создание источника высокого напряжения явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Опыты В. В. Петрова указывали на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их оксидов.

Широкая практическая реализация этих прогрессивных идей В. В. Петрова началась лишь спустя 75-80 лет. Но ни изобретатель первой широко распространенной дуговой электрической лампы («электрические свечи») П. Н. Яблочков, ни изобретатели электросварки и электроплавки металлов Н. Н. Бернардос и Н. Г. Славянов ничего не знали о трудах В. В. Петрова, имя и труды которого, как уже упоминалось, в течение полувека после его смерти умышленно замалчивались реакционным руководством Министерства просвещения и Российской академии наук. Открытие электрической дуги приписывалось X. Дэви, и она была известна под названием «вольтова дуга», хотя А. Вольта к ее открытию не имел никакого отношения.До В. В. Петрова никто так четко не указывал на возможность практического применения электричества. Таким образом, В. В. Петров является одним из основоположников электротехники.

До В. В. Петрова физики не могли наблюдать явления дуги, так как они использовали небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100-200 элементов; ЭДС таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому Хэмфри Дэви (1778-1829) удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда им была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 элементов. Подробное описание явления электрической дуги X. Дэви дал в 1812 г., при этом он сам ни в какой степени не претендовал на первенство в открытии этого явления.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме. Он установил зависимость этих явлений от материала, формы и полярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума. Позднее эти выводы получили подтверждение и развитие в трудах других ученых, в частности М. Фарадея.Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, В. В. Петров исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы. Он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесно-угольные, графитовые, марганцевые и др. В. В. Петровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

В. В. Петров впервые применил параллельное соединение электродов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках с водой, происходящего одновременно при пропускании электрического тока через жидкости (рис. 2.6).Работа В. В. Петрова с источником тока высокого напряжения не могла не привести его к выводу о важном значении изоляции проводов; им было предложено изготовлять электрические проводники, покрытые сургучом или воском. Разработанный В. В. Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. Ученый пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.

В. В. Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд на общность и различие в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выяснить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при состоянии науки того времени такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимания мысль В. В. Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.Труды В. В. Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в. Широкое распространение трудов В. В. Петрова в России оказало большое влияние на развитие науки об электричестве, на расширение его практического применения.

В 1807 г. X. Дэви впервые получил электролитическим путем щелочные элементы - калий и натрий, ранее неизвестные в чистом виде; в 1808 г. им были также получены магний, бор, барий, стронций и кальций. Эти открытия демонстрировали практическую ценность электролиза и еще больше усилили интерес ученых к химическим действиям тока.В 1802-1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета Петру Ивановичу Страхову (1756-1827), опытным путем удалось установить, что земля и вода являются проводниками тока. Этим открытием была показана возможность применения земли и воды в качестве обратного (второго) провода в устройствах для передачи электрического тока от генератора к приемникам .

В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федорович Рейс (1778-1852) обнаружил явление, впоследствии названное электроосмосом. В выводах из своих опытов Ф. Ф. Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электроосмоса в современной технике получило практическое применение, в част-ности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Становилось понятным, что химические реакции в гальванических элементах являются первичными, а возникновение тока есть их следствие, т. е. явление вторичное. Контактная теория А. Вольта становилась малоубедительной, и ей все чаще стали противопоставлять химическую теорию гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Георгом Парротом (1767-1852), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно за счет окисления металлов, т. е. за счет изменения одного из веществ элемента.М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях происходящих явлений. Теории электролиза были предложены рядом ученых, но наиболее приближенной к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза литовского профессора Теодора Гротгуса (1785-1822), которая была, по существу, первой ионной теорией электролитических явлений. Т. Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел».Теория Т. Гротгуса была передовой для своего времени, она продержалась в науке более 70 лет, уступив место теории электролитической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем в 1833-1834 гг. Им же были предложены термины «электрод», «анод», «катод».

Взаимодействие электрического тока и магнита

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока. О связи электрических и магнитных явлений говорили многие факты, наблюдавшиеся, в частности, при ударах молнии в компас: магнитная стрелка перемагничива- лась. В 1775 г. два английских корабля шли параллельным курсом из Лондона на запад и на широте Бермудских островов попали в шторм с грозой. В один из кораблей ударила молния. Капитан второго судна, которое не пострадало, удивился, когда увидел, что первое судно почему-то повернуло назад и направляется в Англию. После проверки компасов обоих судов было установлено, что полярность стрелки компаса пострадавшего корабля изменилась на противоположную, и капитан судна полагал, что он плывет на запад, а в действительности плыл на восток, в Англию.

Первым ученым, убедительно показавшим связь между электричеством и магнетизмом, был Г. Х. Эрстед. Хотя, как уже отмечалось, значительно ранее эту связь обнаружил Д. Романьози.Г. Х. Эрстед, будучи доктором философии, размышляя о взаимодействии различных физических явлений, пришел к выводу о том, что должна быть связь между теплотой, светом, магнетизмом и электричеством. Еще в 1812 г. в одном из своих трудов Г. Х. Эрстед высказывал предположение о связи между электрическими и магнитными явлениями: «Следует испробовать, не произведет ли электричество в своей самой скрытой стадии каких-либо действий на магнит как таковой». Позднее, когда во время его лекции студентам Копенгагенского университета он демонстрировал нагревание проволоки электрическим током и стрелка компаса, случайно находившегося рядом, отклонилась, Г. Х. Эрстед убедился в справедливости своей давней догадки.В 1820 г. после дополнительных экспериментов Г. Х. Эрстед опубликовал результаты своих наблюдений за действиями тока на магнитную стрелку, вызвавшие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшее развитие.