Возникновение электродинамики и ее развитие до Максвелла.

Вольта установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением.

Вольта подготовил и создание электрической машины, основанной на новом принципе, изобретением своего электрофора в 1775 г. Этот прибор и доныне составляет принадлежность школьных физических кабинетов. Электрофорные машины появились в середине 19 в.

Гальвани.

Луиджи Гальвани родился в Болонье в 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины Болонского университета.

В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.

Гальвани разрезал и препарировал лягушку. … Подозрение Гальвани превратилось в уверенность: лапка лягушки стала для него носителем «животного электричества», уподобляясь заряженной лейденской банке. «После этих открытий и наблюдений мне показалось возможным без всякого промедления заключить, что это двойственное и противоположное электричество находится в самом животном препарате». Он показал, что положительное электричество находится в нерве, положительное – в мышце.

Вольта.

Алессандро Вольта родился в 1745 г. В итальянском городке Комо. В нем рано проснулся интерес к изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует работу о лейденской банке, через 2 года – об электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным электричеством». Эти занятия привели его к изобретению первого гальванического элемента.

В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока – вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. С 1819 г. он поселился в своем родном городе Комо и умер там в 1827 г.(в один день с Лапласом и в один год с Френелем).

Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы, ко второму – жидкие проводники.

Триумф вольтова столба обеспечил безоговорочную победу Вольты над Гальвани. История поступила мудро, определив победителя в этом споре, в котором обе стороны были правы, каждый с своей точки зрения.

 

В.В.Петров.

Одной из первых монографий, посвященных описанию нового источника тока и опытов с ним, была монография русского физика Василия Владимировича Петрова «Известие о гальвани-вольтовских опытах», вышедшая в Петербурге в 1803 г. В.В.Петров родился в г. Обояни Белгородской губернии в 1761 г. в семье священника. Петров учился сначала в Харькове, а затем в Петербургской учительской семинарии. После окончания работал преподавателем Горного училища при Колывано-Воскресенских заводах на Алтае. Здесь когда-то трудился русский механик И.И.Ползунов, и изобрел паровую машину. В 1791 году Петров возвратился в Петербург, где преподавал физику в Инженерном училище и математику в Главном врачебном училище, которое впоследствии было преобразовано в Медико-хирургическую академию. Здесь Петров создал богатый физический кабинет, провел многочисленные опыты, на основе которых написал монографии: «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений» (1801), «Известие о гальвани-вольтовских опытах» (1803), «Новые электрические опыты» (1804).

Труд Петрова, посвященный изучению гальвани-вольтовских явлений, носит следующее полное заглавие «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящейся при Санкт-Петербургской академии».

Так, уже из названия видно, что Петров построил самую мощную по тому времени батарею, составленную из 2100 гальванических элементов. Он заменил термин «вольтов столб» термином «гальвани-вольтовская батарея».

Петров изучал влияние температуры на электролиз, проводя опыты в январе 1803 г. на улице.

Петров подробно описывал действие тока на человека и животных. Он проводил опыты по гальванизации больных, закладывая основы электротерапии. В одной из глав своего труда он изложил знаменитый опыт с электрической дугой. Была открыта электрическая дуга. Он заменил один из углей металлическим электродом, наблюдал плавление металлов электрической дугой, а также их сгорание в пламени. Таким было начало будущей электрометаллургии. Вообще труд Петрова можно считать началом будущей электротехники.

Труды Петрова оставались неизвестными за рубежом, его открытия переоткрывались, как это было с электрической дугой. У себя на родине они были забыты до начала 20 века. В учебниках физики электрическая дуга именовалась вольтовой дугой, что давало возможность думать, что она открыта Вольтой.

 

Электромагнетизм

Велланский: «Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил 1820 года».

Ханс Кристиан Эрстед родился в 1777 г. в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессором Копенгагенского университета. В 1820 г. он сделал свое знаменитое открытие, описанное им в в брошюре «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». Брошюра была издана на латинском языке в Копенгагене в 1820 г. Это открытие обессмертило имя ее автора в истории физики. Умер Эрстед в марте 1851г.

Опыты над действием тока на магнитную стрелку привели Эрстеда к важному выводу, что «электрический конфликт, по-видимому, не ограничен проводящей проволокой, но имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Отбрасывая философскую терминологию, можно констатировать, что Эрстед обнаружил вокруг проволоки с током магнитное поле, действующее на ток.

«Ученый датский физик, профессор, - писал Ампер, - своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом».

Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом Био и Савар сделали сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био-Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой формуле закон Био-Савара фигурирует в учебниках физики.

Ампер.   Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики «электродинамикой», и это название прочно вошло в язык физики.

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Под руководством отца Андре Ампер получил хорошее и разностороннее образование. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. Он изучил все тома знаменитой «Энциклопедии» Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа. Ампер избирает педагогическое поприще. Он сначала работает домашним учителем, а в 1802 г. становится преподавателем физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1805 г. Ампера назначают преподавателем математики в Лионский лицей. В следующем году он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г. – ее профессором. В 1814 г. его избирают членом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно занимается электродинамикой, и в 1826 г. выходит его основной труд по электродинамике «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики. Начиная с первого сообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г. последовавшего через неделю послее сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут один за другим сообщения Ампера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 4, 11 и 26 декабря 1820 г.

Ампер различает два основных электрических понятия: электрический ток и электрическое напряжение. Он вводит впервые такие фундаментальные понятия, как «электрический ток», «электрическая цепь», устанавливает направление тока в замкнутой цепи. Он же вводит термин «гальванометр» для прибора, действие которого основано на отклонении магнитной стрелки.

Ампер впервые установил наличие механических взаимодействий токов.

Исследуя экспериментально электрические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно «устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок». Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытия электромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский дипломат П.Л.Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце.

В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, в частности, русского физика Б.С.Якоби (1801-1874). Однако широкое распространение телеграф получил после того, как американский изобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию аппарата, разработал схему соединения отправительной и приемной станции и изобрел специальную азбуку с двумя знаками (точка-тире). Первый аппарат Морзе был построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон-Балтимор.

Ампер пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов («магнитных жидкостей») в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическую опору в электронной физике уже в XX в.

Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опытах Фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модель электродвигателя.

Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770-1831). Это открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787-1854) открыть количественный закон цепи электрического тока. Носящий ныне его имя.

Опыты и теоретические опыты Ома были описаны им в основном труде «Гальваническая цепь, разработанная математически» (1827).

Одним из первых принял и применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником Кирхгофа. Ленц занимался также изучением опытов Араго и теории Ампера, созданных Вильямом Стердженом в 1825 г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри, независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит Михаилу Фарадею.

Фарадей. Майкл Фарадей родился 22 сентября в семье лондонского кузнеца. Недостаточность средств не позволила будущему великому ученому получить хорошее образование. В начальной школе он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а затем поступил в учение к переплетчику. Здесь он восполнил недостатки образования чтением.

Первые научные работы Фарадея относятся к химии. Всемирную славу ему принесли электрические исследования. С ноября 1831 г. Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству».

Поразительна интуиция Фарадея, позволившая ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн.

В последнем разделе первой серии Фарадей объясняет явление, открытое Араго. Магнитная стрелка, помещенная под плоскостью медного диска, приходит во вращение, когда диск вращается. Точно так же при вращении магнита приходит во вращение подвешенный над ним медный диск. Фарадей объяснил это открытие Араго загадочное явление действием электромагнитной индукции и указал, что эффект Араго дает возможность получить «новый источник электричества».

Варьируя опыты с получением индукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей приходит к важному выводу: «Все эти результаты, - пишет он, - доказывают, что способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается». Установленный Фарадеем факт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитного потока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках, приближении и удалении магнита и т.д.), Максвелл выразил равенством:

(1)

Здесь  - электродвижущая сила индукции, A – магнитный поток, охватываемый проводником, в котором индуцируется ток.

       Фарадей говорит о том, что способность индуцировать токи «проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей». Это, как показал Максвелл, означает, что переменное магнитное поле окружено вихревым электрическим полем. В векторной форме закон. открытый Фарадеем, выражается уравнением:

rot  = -    (2)

 

Знак минус, поставленный в равенствах (1) и (2), соответствует правилу. Установленному петербургским академиком Э.Х.Ленцем. Ленц доложил Петербургской Академии наук работу «ОБ определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Ленц рассматривает ряд примеров на применение своего правила и показывает, что во всех случаях возникает индукционный ток такого направления, что он противодействует изменению, порождающему его.

       Фарадей формулирует точный закон электролиза. «Химическое действие электрического тока прямо пропорционально абсолютному количеству проходящего электричества».

       Фарадей вводит новую терминологию. Ныне общеупотребительную. Электроды, подводящие ток к разлагаемому раствору, он называет анодом и катодом. Разложимые вещества он называет электролитами, вещества, на которые разлагаются электролиты, - ионами, а именно анионами и катионами, смотря по тому, где отлагается вещество – у анода или катода. «Числа, соответствующие весовым количествам, в которых они выделяются, я называю электрохимическими эквивалентами».

       Фарадей подробно исследует диэлектрические свойства вещества, вводя для их характеристик особое число, которое он называет удельной индукцией или удельной индуктивной способностью. Эту величину позже назвали диэлектрической постоянной, а ныне называют диэлектрической проницаемостью. Исследование диэлектриков вновь подводит Фарадея к мысли о существовании роли среды в электрических взаимодействиях, которые как бы разливаются в окружающем пространстве по кривым линиям.

       От опытов с диэлектриками Фарадей переходит к исследованию электрического разряда в газах. Он описывает различные формы разряда в газах при атмосферном давлении и в разреженном состоянии. В последнем случае Фарадея удалось обнаружить темное пространство, разделяющее области свечения у катода и анода. Это темное пространство ныне называется фарадеевым.

       В 1845 г. Фарадей открывает магнитное вращение плоскости поляризации, получившее в науке название эффекта Фарадея. Этот тонкий эффект опять-таки не был случайным открытием.

       Тщательное изучение электрических и магнитных свойств вещества в конце концов привело Фарадея к установлению фундаментальной новой идеи, идеи поля. Он разработал экспериментальную методику исследования магнитного поля с помощью пробной катушки и баллистического гальванометра. Он ввел метод изображения магнитного поля с помощью силовых линий.

       Фарадей умер 25 августа 1867 г.