Взаимодействие электрического тока и магнита

В 1820 г. немецкий физик Иоган Х. С. Швейггер (1779-1857) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора - индикатора тока. Его прибор, получивший название «мультипликатора» (т. е. умножающего) представлял собой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки .Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. А. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магнетизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и расположенные параллельно, с полюсами, обращенными в противоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леонардо Нобили (1784-1835) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и построил таким образом более чувствительный прибор - прообраз гальванометра.

В 1820 г. Д. Ф. Араго обнаружил новое явление - намагничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали; при выключении тока опилки падали. Когда Д. Ф. Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась; кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации А. Ампера Д. Ф. Араго заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Д. Ф. Араго первыми указали на электрическую природу магнетизма и показали возможность намагничивания стали электрическим током .В процессе своих исследований Д. Ф. Араго в 1824 г. обнаружил еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения», правильное объяснение чего, как будет показано далее, было дано М. Фарадеем только после открытия явления электромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774-1862) и Феликсом Саваром (1791-1841) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они в 1820 г. установили следующее: если неограниченной длины провод с проходящим по нему 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 от последнего до провода. Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита.

Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749-1827) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.Важнейшее научное и методологическое значение в расширении исследования новых явлений имели труды одного из крупнейших французских ученых Андре Мари Ампера (1775-1836), заложившие основы электродинамики .

А. Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Несмотря на слабое здоровье, он неустанно занимался фундаментальными научными исследованиями и внес немеркнущий вклад в сокровищницу мировой цивилизации. Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. При изучении этих явлений ярко проявились феноменальные способности А. Ампера.

Он впервые узнал об опытах Г. Х. Эрстеда на заседании Парижской академии наук, где их повторил во время своего сообщения Д. Ф. Араго. Вместе с восхищением А. Ампер интуитивно почувствовал важность открытия Эрстеда, хотя ранее он не занимался изучением электромагнитных явлений. И ровно через неделю, 18 сентября 1820 г., А. Ампер выступает на заседании академии с докладом о взаимодействии токов и магнитов, а затем практически еженедельно (с такой периодичностью проводились заседания Парижской академии наук) он излагает перед крупнейшими французскими учеными результаты своих экспериментальных и теоретических исследований, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по электродинамике.В одном из писем А. Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».

Поразительна логика его обобщений: если ток - это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до А. Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили А. Амперу теоретически обобщить резуль- та-ты своих исследований и сформулировать известный закон, носящий его имя.Рассмотрим более подробно работы А. Ампера в области электромагнетизма. Прежде всего отметим, что А. Ампером были введены термин «электрический ток» и понятие «направление электрического тока». Он предложил считать за направление тока направление движения «положительного электричества».

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием тока в проводнике, А. Ампер сформулировал правило, позволяющее определить направление отклонения магнитной стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило было в то время широко известно под названием «правило пловца».Особенно важное значение имели исследования А. Ампером взаимодействия круговых и линейных проводников с токами. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому проводнику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.Открыв взаимодействие круговых проводников с током, А. Ампер начал исследование взаимодействия линейных проводников с токами. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера» (рис. 2.8), в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных проводника с токами притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, имеют токи одинаковое направление или различное. Серия таких опытов позволила А. Амперу открыть закон взаимодействия линейных проводников с токами: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются, между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются. Обнаруженные явления А. Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отличие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ, А. Ампер вывел математическое выражение количественных соотношений взаимодействующих токов, подобно тому как это сделал Ш. Кулон по отношению к взаимодействию статических зарядов. Эту задачу А. Ампер решил аналитически, исходя из принципов И. Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенные в пространстве. При этом А. Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой, соединяющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый труд А. Ампера о взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.Электродинамическая теория А. Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданном в Париже в 1826-1827 гг.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные результаты своих исследований, А. Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая существование особых магнитных жидкостей, он утверждал, что магнитное поле имеет электрическое происхождение. Основываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, А. Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства магнита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Разработанная А. Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым, прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

А. Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности создания электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодействии проводника с током и магнитной стрелки. Однако ученый предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв, помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало практической реализации этой идеи. Потребовалось некоторое время, для того чтобы найти другой путь создания телеграфа.Значение работ А. Ампера для науки весьма велико. Своими исследованиями он доказал единство электричества и магнетизма и нанес решительный удар царившим до него представлениям о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу крупнейших открытий в области электричества.Выдающийся вклад А. Ампера в науку получил высочайшую оценку: в 1881 г. Первый Международный конгресс электриков присвоил единице силы тока наименование «ампер» .

Заключение

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами - электродвижущей силой (или напряжением) и током. Напомним, что автором термина «электродвижущая сила» был А. Вольта. После первых качественных и количественных исследований в 20-е гг. XIX в. стали формироваться физические основы теории электрических токов и основы расчетов электрических цепей (А. Ампер, Г. С. Ом). Еще до Г. Р. Кирхгофа ученые находили токи в разветвлениях цепей, но только Г. Р. Кирхгофу в 1845-1847 гг. удалось сформулировать известные топологические законы (названные его именем), которые легли в основу всех последующих методов расчета цепей.В 1845 г. немецкий физик-теоретик Франц Эрнст Нейман (1798-1895) дал математическое выражение закона электромагнитной индукции.

Английский физик Чарльз Уитстон (1802-1875) в связи с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы измерения сопротивлений. В результате он создал знаменитый «мостик Уитстона», достоинством которого являлась независимость состояния равновесия от напряжения источника питания. В 1840 г. он показывал свое устройство Б. С. Якоби, а в 1843 г. дал описание своего «мостика». Для изменения сопротивления одного из плечей мостика Ч. Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он назвал «реостатами». Позднее, в 1860 г., Вернер Сименс сконструировал магазин сопротивлений.

В 1853 г. Герман Людвиг Гельмгольц ввел в теорию цепей известный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теорему об эквивалентном источнике (Гельмгольца - Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи.Выдающийся английский ученый Уильям Томсон (1824-1907), (в 1892 г. за научные заслуги получил титул барона Кельвина) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью.

Д. К. Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.После открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с гальванических токов (когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза) на индукционные токи: наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма, в изучении которых особая роль принадлежит Э. Х. Ленцу .

В докладе Петербургской академии наук 29 ноября 1833 г. Э. Х. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по электромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую формулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном» (рис. 2.20). Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея обратимости электрических машин, развитая позднее Б. С. Якоби.

Э. Х. Ленц был одним из основоположников теории магнитоэлектрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали; он впервые изучил смещение фазы тока относительно фазы напряжения (1853), изобрел коммутатор для изучения формы кривой индуцированного тока (1857). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника энергии, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. Х. Ленца по тепловому действию тока (1842-1843), которая была выполнена независимо от Джеймса Джоуля (1841) и представляла собой настолько обстоятельное исследование, что известному закону было справедливо присвоено имя обоих ученых.Диапазон научных интересов Ленца был чрезвычайно широк. Так, один из изобретателей в области медицины столкнулся с трудностями при подключении нескольких больных к параллельным цепям источника тока. Узнав об этом, Ленц в 1844 г. вывел формулу для определения тока в любой из параллельно соединенных ветвей, содержащих источники электродвижущей силы (рис. 2.21).

Электромагнитное действие тока было не единственной сферой «электротехнических» интересов Ленца. Не менее значимы его работы по исследованию теплового действия электрического тока. Еще в 1832-1833 гг. Ленц обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость заметно меняется. Это осложняло расчет электрических цепей, но определить количественную зависимость между током и теплотой, выделяемой проводником с током, было невозможно: не было тогда ни точных приборов для измерения, ни источника постоянной ЭДС, ни надежного метода измерения сопротивления. Поэтому Ленц создал свои и усовершенствовал существовавшие измерительные приборы. Он сконструировал прибор- сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла (рис. 2.22).Мастерство Ленца как блестящего экспериментатора проявилось и при проверке справедливости экспериментов французского физика Пельтье, открывшего в 1834 г. новое явление, названное впоследствии «эффектом Пельтье»: если через спай двух разнородных металлов пропустить электрический ток, то в спае происходит либо выделение, либо поглощение тепла в зависимости от направления тока. Ленц подтвердил выводы Пельтье и, пропустив ток через спай висмута и сурьмы, заморозил воду, окружающую спай (рис. 2.23).

В 1867 г. Д. К. Максвелл сделал доклад Лондонскому королевскому обществу «О теории поддержания электрических токов механическим путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто теоретический труд, охвативший все известные к тому времени сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно, затруднения в понимании максвелловского стиля изложения помешали современникам по достоинству оценить эту работу.Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном (1849-1898) графические представления о зависимостях в электрических машинах, так называемые характеристики машин (характеристика холостого хода, внеш-няя и др.). Им же введено понятие «коэффициент магнитного рассеяния».

В мае 1886 г. в Лондонском королевском обществе Джон и Эдвард Гопкинсоны сделали доклад «Динамоэлектрические машины», в котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая своего значения до нашего времени теория электрических машин постоянного тока.Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., а также практическое применение этих явлений стали предпосылками важных научных обобщенний, в частности создания электромагнитной теории Д. К. Максвелла. Первые дифференциальные уравнения поля были записаны Д. К. Максвеллом в 1855-1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнитного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Д. К. Максвелла состоит в том, что, использовав накопленный до него громадный экспериментальный материал, он обобщил и развил прогрессивные идеи М. Фарадея, придав им стройную математическую форму. В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) Д. К. Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Д. К. Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Д. К. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятия «электрическое смещение» и «токи смещения», установил принцип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Д. К. Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны и изменение одного из них вызывает появление другого. Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Д. К. Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.Д. К. Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всей полноте представить значение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Генрих Герц (1857-1894) экспериментально доказал существование электромагнитных волн.Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы профессора Николая Алексеевича Умова (1846-1915), среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874). Идеи Н. А. Умова получили дальнейшее развитие, в частности, в трудах английского физика Джона Генри Пойнтинга (1852-1914) применительно к электромагнитному полю (1884).