Первые законы электротехники

Проследим, как устанавливались основные законы электричества. Происходило это очень своеобразно, иногда по аналогии с другими явлениями, иногда умозрительно, усилиями мысли разных ученых в разных странах. Верные взгляды на природу электричества пробивали себе дорогу постепенно, Не достигая полного понимания причин физических явлений, исследователи устанавливали закономерности, формулировали законы.

Первый важный закон электричества был установлен французским физиком Шарлем Кулоном (1736-1806) в 1785 г. задолго до изобретения гальванических элементов. Формулировкой этот закон напоминает закон всемирного тяготения - сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Притяжение или отталкивание двух зарядов означало их различность или их идентичность.

Школьный учитель физики Георг Ом (1787-1854) открыл закон, имеющий очень большое значение: сила тока на участке однородной электрической цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка.

Cлeдyeт отметить, что XIX в. воспринимает прекрасную тради­цию ХVПI века и оставляет память об удивительно разносторонних ученых.

Ханс Кристиан Эрстед (1777 - 1851) получил золотую медаль за литературное эссе «Границы поэзии и прозы» и одновременно представил работу по химическому исследованию свойств щелочей. Его докторская диссертация посвящена медицине и философии, он вел исследования в области фармацевтики. В 1813 г. Эрстед публикует работу о влиянии электричества на магнит, а в 1820 г. - работу о прямой связи магнитного эффекта и электрического тока в проводнике - магнитный эффект возникает вокруг проводника, по которому протекает ток. Публикации Эрстеда побуждали других ученых, исследователей к новым открытиям.

На заседании Французской Академии ученый секретарь Д.Ф. Араго (1786-1853) в 1820 г. докладывает об открытиях Эрстеда.

У математика Андре Мари Ампера (1775­ - 1836), присутствующего на докладе Араго, рождается мысль о возможности взаимодействия двух проводников с током. Изготовив совместно с Араго из проводников соленоиды и пропустив через них ток. Ампер находит, что они ведут себя подобно двум магнитам. Кроме того, он вы­сказывает мысль (1822 г.), что магнит в свою очередь являет собой совокупность токов.

Пройдет много лет и открытия этих ученых и их имена лягут в основу методов определения, превратятся в названия единиц: электрического тока (ампер, А), количества электрического заряда (кулон, Кл), напряжения (вольт, В), сопротивления (ом, Ом) и др.

Создание магнитного поля электрическим током установили экспериментально в 1820 году Ж. Био (1774 - 1862) и Ф. Савар (1791 - 1841), а математически это явление описал П.Лаплас (1749-1827).

Майкл Фарадей (1791-1867), первоначально имел профессию переплетчика. Он много читал статей в переплетаемых им журналах и очень заинтересовался описываемыми там свойствами электричества. Поставил множество опытов и впоследствии сделал целый ряд открытий в области электромагнетизма. Его открытия лежат в основе создания электродвигателей и электрогенераторов, трансформаторов, электролиза, оптических и других явлений. Фарадей сумел далеко опередить свое время. Он доказал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны. Обнаруженное им явление получило название электромагнитной индукции; его описание было опубликовано в 1831 г.

Фарадей первым из ученых ввел понятия электрического и магнитного полей, окружающих магниты и проводники с током.

Эти поля представляют собой электромагнитные волны, распростра­няющиеся в пространстве.

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции относится к наиболее выдающимся событиям XIX веке. Работа миллионов трансформаторов, электрогенераторов и электродвигателей во всем мире основана на принципе электромагнитной индукции.

Открытия Фарадея основаны на иссле­дованиях предыдущих ученых, а его иссле­дования, в свою очередь, побудили к новым открытиям других ученых, инженеров, исследователей. Очень часто ученые открывают новое, оглянувшись в прошлое.

Современники М. Фарадея английский физик Д. Джоуль(1818-1889) и русский уче­ный Э.Х. Ленц (1804-1865), одновременно и независимо друг от друга вывели закон, определяющий тепловое действие электрического тока - закон Джоуля-Ленца:

.

В 1832 г. Э.Х. Ленц установил закон о направлении индуцированного тока и сформулировал принцип обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин. В 1845 г. он открыл и описал явление реакции якоря электрических машин. Ленц сформулировал важнейшее положение о постоянстве теплопроводности и электропроводности у металлов при одной и той же температуре.

Открытие электромагнетизма привело П.Л. Шиллинга (1786 - 1837) к изобретению электромагнитного телеграфа в 1829 г.

Электромагнитным телеграфом занимались: К. Гаусс (1777 - 1855), В. Вебер (1804­ – 1891), Б.С. Якоби (1801 – 1874), С. Морзе (1791-1872).

Г.Р. Кирхгоф (1824-1887) в 1845 г. написал работу о протекании электрического тока через плоскую пластину и сформулировал в этой области два фундаментальных закона.

Несколько десятилетий спустя Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879), развил идею Фарадея, облек ее в ясную точную математическую форму. Дж.К. Максвелл создал математический фундамент теории электромагнитных взаимодействий - четыре уравнения, четыре аксиомы, которые вот уже более ста лет не подвергаются сомнению в ученом мире.

Приведем ниже упрощенный вид этих уравнений:

1) Круговое изменение вектора напряженности магнитного поля порождает электродвижущую силу - электрическую индукцию , а, следовательно, и определенную плотность тока j:

(c - скорость света).

2) Круговое изменение вектора напряженности электрического поля порождает магнитную индукцию :

.

3) Электрическая индукция зависит от диэлектрической проницаемости ε и вектора напряженности электрического поля:

.