Очерки по истории электротехники
Главная   >>   Очерки по истории электротехники

Очерки по истории электротехники

4.6. Становление основ теории электрических цепей и электромагнетизма

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами электродвижущей силы (или напряже­ния) и тока. Понятие об электродвижущей силе ввел в обращение А. Вольта. После первых качественных и количественных иссле­дований в 20-е годы прошлого столетия стали формироваться фи­зические основы теории электрических токов. Самый большой вклад здесь был внесен работами Ампера. Г. С. Ом своим знамени­тым законом, полученным экспериментальным путем, заложил основы расчетов электрических цепей. Еще до Кирхгофа разными учеными находились токи в разветвлениях цепей (например, Ленцем). Но только Кирхгофу в 1845—1847 гг. удалось сформулиро­вать известные топологические законы, названные его именем. Законы Кирхгофа легли в основу всех последующих методов рас­чета цепей.

Английский физик Чарльз Уитстон (1802—1875 гг.) в связи с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы измерения сопротивлений. В результате он создал знамени­тый «мостик Уитстона», решающим 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» в статье. Для изменения сопротивления одного из плечей мос­тика Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он назвал реостатами. Позднее (в 1860 г.) Вернер Сименс скон­струировал магазин сопротивлений.

Один из крупнейших немецких ученых Герман Людвиг Гельмгольц (1821 — 1894 гг.) ввел в 1853 г. в теорию цепей извест­ный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теор .му об эквивалентном источнике (Гельмгольца — Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в , цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи. Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью. Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.

Посте открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с «гальванических» токов, . когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза, на индукционные токи, когда наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма.

Здесь особая роль принадлежит выдающемуся русскому физику I Э. X. Ленцу. Он учился в своем родном городе Тарту (бывший город Юрьев, затем Дерпт), еще студентом в качестве физика участвовал в кругосветном путешествии под командой О. Е. Коцебу, стал академиком Петербургской Академии наук, заведующим кафедрой физики, затем деканом физико-математического фа­культета, а в 1863 г. был избран ректором Петербургского уни­верситета.

В своем докладе Петербургской Академии наук 29 ноября 1833 г. Э. X. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по элек­тромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую фор­мулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или маг­нита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направле­ния, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном».

Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея принципа обратимости электрических машин, развитая позд­нее Б. С. Якоби. Э. X. Ленд был одним из основоположников теории магнито­электрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847 г.) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали, он впервые изучал смещение фазы тока относительно фазы напряжение <1853 г.), придумал коммутатор для изучения формы кривой индуктирован­ного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима макси­мальной полезной мощности источника энергии, когда г. нутре инее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. X. Ленцз по тепловому действию тока (1842—1843 гг.), которая была выполнена независимо от Джеймса Джоуля (1841 г.) и представляла собой настолько обстоятельное исследование, что известному закону было справедлив присвоено имя обоих ученых.

В 1867 г. Максвелл сделал доклад Лондонскому Королевскому обществу «О теории поддержания электрических токов механиче­ским путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто теоретический труд, охвативший все известные к тому времени сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно, затруднения в понимании максвелловскою стиля изложения по­мешали современникам по достоинству оценить эту работу.

Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном (1849—1898) графические представления о зависимостях в элект­рических машинах, так называемые характеристики машин (ха­рактеристика холостого хода, внешняя и др.). Им же введено понятие о коэффициенте магнитного рассеяния.

В мае 1886 г. Дж. и Э. Гопкинсоны сделали доклад в Лондон­ском Королевском обществе с Динамоэлсктрические машины», в котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая своего значения до нашего времени теория электрических машин постоянного тока.

Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., а также практическое применение этих явлений стали предпосылками к важным научным обобщениям, в частности к созданию электромагнитной теории Максвелла. Пер­вые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвеллом в 1855 — 1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнит­ного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Максвелла состоит в том, что, использовав накоплен­ный до него громадный экспериментальный материал, он обоб­щил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав им стройную математическую форму. В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.) Максвелл изложил осно­вы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важней­шие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятие об электрическом смещении и токах смещения, установил прин­цип замкнутости тока. Одним из важнейших выводов Максвел­ла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вы­зывает появление другого. Исследования показали, что скоро­сть распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить зна­чение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричест­ве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электро­магнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое давление и определил из опытов его значение, совпадающее с вы­численным по теории Максвелла.

Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874 г.). Идеи Умова получили дальнейшее разви­тие, в частности, в трудах английского физика Дж. Г. Пойнтинга применительно к электромагнитному полю (1884 г.).

 



BoomLive