Сторінка 26 з 41
4.6. Становлення основ теорії електричних ланцюгів і електромагнетизму
Як відомо, процеси в електричному ланцюзі визначаються скалярними величинами електрорушійної сили (або напруги-ня) і струму. Поняття про електрорушійної силі ввів в обіг А. Вольта. Після перших якісних і кількісних дослі-джень в 20-і роки минулого століття стали формуватися фі-зические основи теорії електричних струмів. Найбільший внесок тут був внесений роботами Ампера. Г. С. Ом своїм прапора-тим законом, отриманим експериментальним шляхом, заклав основи розрахунків електричних ланцюгів. Ще до Кирхгофа різними вченими перебували струми в розгалуженнях ланцюгів (наприклад, Ленцем). Але тільки Кірхгофа в 1845-1847 рр. вдалося сформулювати-вать відомі топологічні закони, названі його ім'ям. Закони Кірхгофа лягли в основу всіх наступних методів рас-чета ланцюгів.
Англійський фізик Чарльз Уитстон (1802-1875 рр.) В зв'язку з роботами з удосконалення телеграфу шукав способи вимірювання опорів. В результаті він створив прапора-тий «місток Уитстона», вирішальним гідністю якого була незалежність стану рівноваги від напруги джерела живлення. У 1840 р він показував свій пристрій Б. С. Якобі, а в 1843 р дав опис свого «містка» в статті. Для зміни опору одного з плечей мос-тика Уитстон застосував регульовані резистори, які він назвав реостатами. Пізніше (в 1860 г.) Вернер Сіменс Скон-струіровал магазин опорів.
Один з найбільших німецьких вчених Герман Людвіг Гельмгольц (1821 - 1894 рр.) Ввів в 1853 р в теорію ланцюгів відомого-ний раніше у фізиці принцип суперпозиції, на основі якого були побудовані важливі теореми електричних ланцюгів, включаючи теор .му про еквівалентному джерелі ( Гельмгольца - Тевенена). Гельмгольц ж вперше отримав рівняння перехідного процесу в. ланцюга при її підключенні до джерела, розглянув постійні часу електричного кола. Вільям Томсон (лорд Кельвін) в 1853 р розрахував коливального процесу і встановив зв'язок між частотою власних коливань, індуктивністю і ємністю. Максвеллом був розроблений метод контурних струмів, доведена теорема взаємності. Поступово формувався практично весь арсенал методів розрахунку (включаючи еквівалентні перетворення) ланцюгів постійного струму.
Пості відкриття електромагнітної індукції увагу вчених в значній мірі переключилася з «гальванічних» струмів. коли головними об'єктами досліджень були самі гальванічні елементи, процеси електролізу, на індукційні струми, коли найбільший інтерес стали викликати явища електромагнетизму.
Тут особлива роль належить видатному російському фізику I Е. X. Ленц. Він навчався в своєму рідному місті Тарту (колишнє місто Юр'єв, потім Дерпт), ще студентом як фізика брав участь в кругосвітній подорожі під командою О. Е. Коцебу, став академіком Петербурзької Академії наук, завідувачем кафедри фізики, потім деканом фізико-математичного фа- культета, а в 1863 був обраний ректором Петербурзького уні-версітета.
Очевидно, що в цьому формулюванні міститься і ідея принципу оборотності електричних машин, розвинена позд-неї Б. С. Якобі. Е. X. Ленд був одним з основоположників теорії магніто-електричних машин. Йому належить відкриття і пояснення явища реакції якоря (1847 р) і встановлення необхідності зрушувати щітки з геометричної нейтрали, він вперше вивчав зміщення фази струму щодо фази напруга <1853 г.), придумал коммутатор для изучения формы кривой индуктирован-ного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима макси-мальной 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.
У 1867 р Максвелл зробив доповідь Лондонському Королівському товариству «Про теорії підтримки електричних струмів механічного-ським шляхом без застосування постійних магнітів». Це був чисто теоретичну працю, що охопила всі відомі на той час відомості про електричні машинах постійного струму. Ймовірно, труднощі в розумінні максвелловскую стилю викладу по-заважали сучасникам по достоїнству оцінити цю роботу.
Серйозно просунули теорію електричних машин введені в 1879 р англійським іелектротехніком Джоном Гопкинсон (1849-1898) графічні уявлення про залежності в електричних машинах, так звані характеристики машин (ха-рактеристика холостого ходу, зовнішня і ін.). Їм же введено поняття про коефіцієнт магнітного розсіювання.
У травні 1886 р Дж. І Е. Гопкинсон зробили доповідь в Лондон-ському Королівському суспільстві з Дінамоелсктріческіе машини », в якому містилася вже цілком закінчена, що не втратила свого значення до нашого часу теорія електричних машин постійного струму.
Відкриття в області електрики і магнетизму, зроблені в першій половині XIX ст. а також практичне застосування цих явищ стали передумовами до важливих наукових узагальнень, зокрема до створення електромагнітної теорії Максвелла. Пер-ші диференціальні рівняння поля були записані Максвеллом в 1855 - 1856 рр. У 1864 році він дав визначення електромагніт-ного поля і заклав основи його теорії.
Заслуга Максвелла полягає в тому, що, використавши накопичено-ний до нього величезний експериментальний матеріал, він обоб-мив і розвинув прогресивні ідеї Фарадея, надавши їм струнку математичну форму. У своїй праці «Трактат про електрику і магнетизм» (1873 г.) Максвелл виклав осно-ви розробленої ним теорії поля, що є наріжним каменем сучасного вчення про електромагнетизм. Найважливіше-шие результати своїх досліджень Максвелл сформулював у вигляді знаменитих рівнянь, які отримали його ім'я. Максвелл узагальнив закон електромагнітної індукції, поширивши його на довільний контур в будь-якому середовищі. Він ввів поняття про електричний зміщенні і токах зміщення, встановив прин-цип замкнутості струму. Одним з найважливіших висновків Максвел-ла є твердження про те, що магнітне і електричне поля тісно пов'язані між собою і зміна одного з них ви-викликають появу іншого. Дослідження показали, що скоро-сть поширення подібних електромагнітних збурень збігається зі швидкістю світла. Цей висновок був покладений в основу електромагнітної теорії світла, розробленої Максвеллом і є одним з видатних теоретичних узагальнень природознавства.
Максвелл не дожив до торжества своїх глибоких наукових ідей і узагальнень. Він сам ще не міг у всьому обсязі уявити зна-чення всього того, що містилося в його «Трактаті про електрічест-ве і магнетизм», і того, що з нього випливало. Пізніше німецький фізик Г. Герц експериментально довів існування електро-магнітних хвиль, а російський фізик П. Н. Лебедєв відкрив світлове тиск і визначив з дослідів його значення, що збігається з ви-чисельним з теорії Максвелла.
Важливе значення в розвитку уявлень про рух енергії мали роботи проф. Н. А. Умова, серед яких особливої уваги заслуговує його докторська дисертація «Рівняння руху енергії в тілах» (1874 г.). Ідеї Умова отримали подальший роз-нення, зокрема, в працях англійського фізика Дж. Г. Пойнтінга стосовно до електромагнітного поля (1884 г.).