§ 2. Основные этапы развития электротехники. Применение математического аппарата в описании открытых явлений

Периодом зарождения электротехники можно считать 1830 - 1870 гг.

Следовательно, выделим следующие основные этапы развития электротехники и расскажем о них подробнее:

1. Становление электростатики (до 1800 г.)

Основные законы, опыты и приборы были описаны в §1.

2. Фундамент научных основ электротехники (1800 - 1830 гг.). Создание первого элемента питания (Вольтова столба).

Отдельные ученые высказывали предположение, что если "вся природа электрическая", то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были "электрические" рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названного "животным".

В 1773 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани занялся исследованием мышечных движений лягушек под воздействием электричества. Первые электрофизиологические опыты Гальвани над лягушками относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом "Трактате о силах электричества при мышечном движении", получившем широкую известность.

Из истории:

"Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Гальвани заметил, что, если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И, действительно, при "вспыхивании молнии" мышцы". впадали в сильнейшие сокращения". Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться "при ясном небе", Гальвани прикрепил медный крючок к спинному мозгу лягушки и подвесил крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки (ученым были известны только явления статического электричества столу), он снова увидел сильные сокращения. Однако при замене одного из металлов непроводником сокращений не происходило.

Но сокращения были "энергичнее и продолжительнее", если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

Гальвани сделал предположение о том, что сокращение мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы к нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшийся с телом лягушки, не могли, по представлениям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться "электрическими" лишь через прикосновение к другим наэлектризованным телам. Тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого - "животного" электричества. Тело животного являлось согласно взглядам Гальвани своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие”. Опыты Гальвани вызвали большой интерес.

Исследуя опыты Гальвани, А. Вольт прежде всего обратил внимание на то, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов. Продолжая исследования, он отверг идеи Гальвани о "животном" электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: "Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества", - утверждал Вольт. А". лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительный электрометр".

Опыты Вольта завершились построением 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил Президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им "электродвижущим аппаратом", а позднее французы стали его называть "гальваническим или вольтовым столбом".

Вольтов столб - первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических применений. Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался единственным источником электрического тока.

Первые же опыты с электрическим током не могли не привести к открытию некоторых присущих ему свойств. Среди многочисленных исследований явлений электрического тока, произведенных в первые годы после построения вольтова столба, наиболее выдающимися были труды первого русское электротехника, профессора физики Петербургской Медико-хирургической академии, академика Василия Владимировича Петрова (1761-1834 гг.) В его трудах впервые была показана и доказана возможность практических применений электричества.

Он собрал самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых пластин. Установил возможность практического использования электрического тока для нагрева проводников. Кроме того, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами, слегка разведенных углевых стержней, как в воздухе, так и в других газах и вакууме, получившее название электрической дуги.В. В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов и тем самым впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. В.В. Петров является одним из основоположников электротехники.

Труды Петрова были хорошо известны его современникам и изучались русскими физиками первой трети XIX в., что не могло не оказать заметного влияния на развитие науки об электричестве, на расширение практических применений электричества. Среди учеников Петрова были талантливый физик и химик С.П. Власов, академик И. X. Гамель, профессор И.Е. Грузинов, С.В. Большой и др.

В 1802-1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского университета Петру Ивановичу Страхову, удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока. Этим открытием послужила возможность применения земли и воды в качестве обратного провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам.

В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федорович Рейс обнаружил явление, получившее впоследствии название электроосмоса Электроосмос - это движение жидкости через капилляры или пористые диафрагмы при наложении внешнего электрического поля. Электроосмос - одно из основных электрокинетических явлений. .

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях проходящих явлений. Наиболее приближающейся к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза Электролиз - физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор, либо расплав электролита. Теодора Гротгуса, которая была по существу первой ионной теорией электролитических явлении Гротгус в 1805 г. опубликовал "Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел".

Расширение и углубление исследований электрических явлений

привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока.

В 1820 г. были опубликованы и продемонстрированы опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнитную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.

В 1820 г. Д.Ф. Араго было обнаружено 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 отставали. Когда Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она временно намагничивалась. Кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом”.)

В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им "магнетизмом вращения" и заключавшееся в том, что при вращении металлической пластины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит, к определению количественных зависимостей, явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био и Феликсом Саваром закона действия тока на магнит Закон «Био-Савара" - физический закон для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром и сформулирован в общем виде Лапласом [http: //Wikipedia.org]. . Проведя ряд экспериментов, они установили (1820 г.) следующее: "если неограниченной длины провод с проходящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнита, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие прокола на любой (южный или северный) магнитный элемент обратно пропорционально расстоянию последнего до провода".

Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

25 сентября 1820 г., Ампер докончил чтение доклада в Парижской Академии наук, в котором он изложил законы взаимодействия двух проводников с током, протекающим по параллельно расположенным проводникам. Этот опыт дал толчок к открытию и формулированию основных законов электродинамики. Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

Ампер был необыкновенно одаренным от природы человеком. Физика и математика, астрономия и химия, зоология и философия - во всех этих науках ярко проявились энциклопедические знания Ампера. Ему было всего 13 лет, когда он представил в Лионскую Академию наук, литературы и искусства свою первую математическую работу.

Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов. В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770-1831 гг.), занимаясь исследованием возможности получения электрического тока посредством двух разнородных металлов без участия какой-либо жидкости, открыл новое явление, "термомагнетизмом" (позднее этот термин был заменен на "термоэлектричество").

«Термоэлектрический эффект. Методические указания к выполнению лабораторной рабо», Томский политехнический университет, Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 15 с. , где

- температура первого конца термопары;

- температура второго конца термопары;

- термоэлектрическая способность термопары.

В 1834 г. французским ученым Жаном Ш.А. Пельтье (1785-1845 гг.) было обнаружено более широкое проявление термоэлектрических действий и их обратимость. При прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока.

Дальнейшие открытия в изучении электричества связаны с зависимостью проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789-1854 гг.) [3, с 10].

Из истории:

Во время проведения опытов Ому пришлось преодолеть немало трудностей: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации; механизм работы источников питания был не известен; общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало: в научную практику не были введены величины, характеризующие процесс протекания тока в цени, не было приборов для измерения этих величии. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точности измерений. Все это потребовало от Ома незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Ому удается вывести формулу, связывающую "силу магнитного действия проводника" (то есть ток) с электровозбуждающей силой источника и сопротивлением цепи - это уже был закон электрической цепи.

В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд "Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Омом" (Он так же известен под названием "Теоретические исследования электрических цепей".

Закон Ом сформулировал следующим образом "Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин" [3, с 8].

,

где - сопротивление участка цепи,

- напряжение, приложенное к этому участку,

- ток, протекающий в результате замыкания участка цепи.