Очерки по истории электротехники
Главная   >>   Очерки по истории электротехники

Очерки по истории электротехники

3.6. Открытие термоэлектричества. Установление законов электрической цепи

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, заключавшееся в следующем.

К висмутовой пластине 1-2 (Рис. 3.13) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовавшегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогреванииодного из спаев магнитная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока, Так, например, если прибор установлен в направление плоского и магнитного меридиана, о при нагревании спая 2 северный полюс магнитной стрелки отклоняется на восток. Это отклонение показывает, что в металлах идет ток, имеющий направление над стрелкой справа налево, а под нею — слева направо.

Если вместо нагревания спая 2 охлаждать спай 1, то в контуре возникнет ток такого же направления, как и в предыдущем случае. Зеебек правильно установил, что причина появления электрического тока в этих опытах связана с теплотой, сообщаемой спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» (позднее этот термин был заменен на «термоэлектричество») .

Фундаментальное исследование направления термоэлектрического тока осуществил французский ученый Антуан Сезан Беккерель (1788—1878 гг.). Ему удалось расположить металлы в термоэлектрический ряд, в котором каждый предыдущий металл дает ток через нагретый спай к каждому последующему. Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возникнуть не только при употреблении разнородных металлов, но и при условии различия в структуре или плотности проводника с одной и другой стороны от нагреваемого места.

В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности, как правило, применялись только для измерения температур. Как известно, благодаря успехам современной науки и техники в области полупроводников созданы предпосылки для разработки более экономичных термоэлементов.

В 1834 г. французским ученым Жаном Ш. А. Пельтье (1785—1845 гг.) было обнаружено более широкое проявление термоэлектрическихдействий и их обратимость. При прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. В 1838 г. явление Пельтье было изучено в Петербурге академиком Э. X. Денцем, который, пользуясь этим методом, заморозил воду, окружавшую место спая. Позднее были созданы специальные устройства — термопары, применяемые для измерения температур, лучистой энергии и др.

Открытие явления термоэлектричества явилось существенным вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию закона сохранения и превращения энергии.

По мере углубления исследований электрического тока подготавливаются условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению некоторых количественных соотношений.

Как уже отмечалось, еще В. В. Петров в начале XIX в. указал на связь между сечением проводника и протекающим по нему током. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры. Он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789—1854 гг.).

Первый этап исследований, начатых Омом в 1821 г., когда он работал преподавателем математики и физики в Кельне, относился к изучению проводимости различных проводников. Сила тока измерялась по его магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Кулона (см. гл. 2), 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, Ом установил постоянство Угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи. Ему удалось определить проводимость Проволок из различных материалов и доказать влияние температуры на проводимость проводников.

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, характериующие 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 конструкцмй мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (то есть ток) с электровозбуждающей силон источника и сопротивлением цепи — это уже был закон электрической цепи. Продолжая совершенствовать измерительную установку, Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях. С этой целью он внимательно изучает теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками, при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.

Б 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, носящий его имя, Ом сформулировал следующим образом «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи).

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

Однако после подтверждения правильности закона Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, а также присуждения Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.), его труд по праву получил всеобщее признание. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления была названа «Ом».

Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами Ампера, Ома, Фарадея, 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 проблем явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824—-1887 гг.).

В 1845 г., когда Кирхгофу было 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 Кирхгофа, являющиеся фундаментальными законами теоретической электротехники, которые еще при жизни Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко применяются электротехниками всего мира. В последующих трудах Кирхгофа были рассмотрены электрические токи в проводящих средах, исследованы количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Кирхгоф проявил себя и как блестящий исследователь и экспериментатор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения). Его философские воззрения базировались на материалистической основе, Г. Р. Кирхгоф был членом Берлинской Академии и членом-корреспондентом Петербургской Академии наук (с 1862 г.).