Начальный этап развития электротехники 2 страница

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.

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 [10].

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 [11].

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 [9].

А. Ампер (рисунок 14) 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.

Рисунок 14. А. Ампер

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 результаты 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», 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» [10, 11].

2.7 Установление законов электрической цепи

В. В. Петров еще в начале XIX в. указал на связь между поперечным сечением проводника и величиной тока в нем. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади поперечного сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789–1854) (рисунок 15).

Рисунок 15 – Г. С. Ом

Первый этап исследований, начатых Г. С. Омом в 1821 г., когда он работал учителем математики и физики в одной из школ г. Кельна, относился к изучению проводимости различных

проводников. Значение тока измерялось по магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Ш. Кулона, но вместо бузиновых шариков над проводником была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе, действующем на стрелку. Располагая проводник в направлении магнитного меридиана, Г. С. Ом установил постоянство угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи.

Затем Ом провел серию экспериментов по исследованию проводимости различных металлов, из которых изготовлялись проводники, исследовал также зависимость угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводника. Он установил, что проволоки из одного и того же материала, различающиеся площадью поперечного сечения, имеют «...одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны поперечным сечениям».

Во время проведения опытов Г. С. Ом столкнулся с большими трудностями: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации, механизм работы источников питания был неизвестен, общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало, в научную практику не были введены величины, характеризующие ток в цепи, не было приборов для измерения этих величин. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все это потребовало от ученого незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Г. С. Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (т. е. ток) с электровозбуждающей силой (ЭДС) источника и сопротивлением цепи, – это уже была основа закона электрической цепи.

Продолжая совершенствовать измерительную установку, Г. С. Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях: изучив теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики, он впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками и приходит к выводу, что разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.

В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г. С. Омом» (он также известен под названием «Теоретические исследования электрических цепей»). Закон, носящий его имя, Г. С. Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи). Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.

Г. С. Ом доказал справедливость формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действию тока. Несколько лет закон Г. С. Ома не получал признания, отчасти потому, что в первых его публикациях были допущены неточности, а также по причине недостаточной известности имени скромного школьного учителя.

Однако после подтверждения правильности закона Г. С. Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Эмилий Христианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801–1874), а также присуждения Г. С. Ому золотой медали Лондонским королевским обществом (1842) его труд по праву занял почетное место в науке. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления тока была названа «омом».

Кроме исследований в области электрических цепей Ом занимался проблемами акустики, поляризации света, создавал оригинальные демонстрационные приборы. В ответ на просьбы коллег Ом написал очень содержательный и хорошо иллюстрированный учебник по физике, однако второй том своего капитального труда завершить не успел. Ом писал, что работа над учебником принесла ему «много радости». Сохранилось также немало электромагнитных устройств, созданных руками Ома (рисунок 16).

Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г. С. Ома, М. Фарадея, Э. Х. Ленца, требовали более точного количественного описания этих явлений, их математического анализа и разработки расчетных методов, необходимых для решения практических задач, выдвигаемых развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение этих задач явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824–1887) (рисунок 16).

Рисунок 16. Приборы, изготовленные Омом: катушка и электромагнит

В 1845 г., когда Г. Р. Кирхгофу был всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Г. Р. Кирхгофа, ставшие фундаментальными законами теоретической электротехники. Они еще при жизни Г. Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и до сих пор широко применяются электротехниками всего мира.

В последующих трудах Г. Р. Кирхгофа были рассмотрены количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Г. Р. Кирхгоф проявил себя как блестящий исследователь и эксперимен-татор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения) [5, 6, 11].

2.8 Открытие явления электромагнитной индукции

Большой вклад в современную электротехнику внес английский ученый Майкл Фарадей (рисунок 17), труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления – электрического тока, а в год его смерти (1867) была изобретена динамо-машина – самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т. е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его уникальная по методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новый раздел физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники – электро- и радиотехники.

Вот уже более века многие поколения учащихся на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием – явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г., за исследования в области химии и электромагнетизма М. Фарадей был избран почетным членом Петербургской академии наук, членом же Лондонского королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. С 1816 г. (когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести) по 1831 г. (когда стал публиковаться его знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству») М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Рисунок 17. М. Фарадей

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ. Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также явились эпохой (достаточно упомянуть об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все его работы образуют картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника с током? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. Фарадей дал описание физического прибора.

В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике. Именно после этого опыта, судя по всему, у Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, «превратить магнетизм в электричество». Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость ученого: тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение поставленной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей после открытия им явления электромагнитной индукции не только объяснил причину вращения медного диска под влиянием магнита, но и указал практический путь использования этого явления. Опытным путем Фарадей показал, как получается электричество из магнита. Принеся в лабораторию большой подковообразный электромагнит (рисунок 2.16), к его полюсам он прикрепил два стальных бруска и в промежуток между ними ввел край медного диска. Край диска и его ось были соединены посредством щеток с гальванометром. При вращении диска стрелка гальванометра «показывала наличие в нем электрического тока», причем стрелка испытывала не мгновенный толчок, а все время находилась в отклоненном положении, пока диск вращался. Это был первый в мире электромашинный генератор, получивший позднее название униполярного генератора. С него начинается история электрических машин.

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797–1878) (рисунок 18). Не трудно себе представить переживания ученого, будущего президента Национальной академии наук США, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея. Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек.

Рисунок 18 – Д. Генри

В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т. е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894)).

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рисунок 19, д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция».

В заключительных экспериментах (рисунок 19, е, ж) демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее, механической энергии в электрическую.

Обратимся к главным опытам М. Фарадея. Первая серия опытов [9] закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-электрической» (по терминологии М. Фарадея) индукции (рисунок 19, а–г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной цепи 1 или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей (рисунок 19, в), М. Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуцированного тока: внутрь спирали 6, включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 7 (рисунок 19, б), которая намагничивалась индуцированным током. Результат говорил о том, что индуцированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3. Заменив деревянный или картонный барабан 4 (рисунок 19, б), на который наматывались первичная и вторичная обмотки, стальным кольцом (рисунок 19, г), Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь М. Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

М. Фарадей обращает внимание на терминологию и способ объяснения явления. Для определения направления индуцированного тока он вводит «правило ножа», перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э. Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот.

Рисунок 19. Схемы основных опытов М. Фарадея приведших к открытию электромагнитной индукции

Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находившегося, в свою очередь, под влиянием идей М. В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем, при исследовании диэлектриков, и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а ученые до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д. Ф. Араго М. Фарадей сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Складывается впечатление, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и сокращение мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричества проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках. Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диа- и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести – с другой.

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) (рисунок 20), родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь

развил и облек в математическую форму идеи М. Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля [6] по достоинству оценили ученые конца XIX – начала XX в., когда на идеях Фарадея – Максвелла начала развиваться радиотехника.

Рисунок 20. Д. К. Максвелл

В подтверждение таланта М. Фарадея, его умения проникать в глубь сложнейших физических явлений стоит упомянуть, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

2.9 Зарождение теоретических основ электротехники

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.