Первые исследования электрического напряжения
Открытию знаменитого закона Ома предшествовали исследования Л. Гальвани и А.Вольта, проведенные в конце XVIII века.
Итальянец Л. Гальвани занимался разработкой теории «живого электричества». Опыты этого ученого сводились к тому, чтобы определить, как воздействует электрический разряд на мышцы живых организмов. Для своих опытов Гальвани использовал препарированных лягушек.
Наблюдения ученого позволили ему установить следующее: при воздействии электрического разряда на мускул лягушки происходило его сокращение (в том же случае, когда до этого мускула Гальвани дотрагивался тонким металлическим предметом).
В ходе дальнейших экспериментов Гальвани соединил спинной нерв лягушки и металлический крючок, а затем поместил лягушку на поверхность, также изготовленную из металла. Однако металлы, которые использовал ученый, являлись не однородными: крючок был отлит из меди, а плоская поверхность изготовлена из железа. Как только медный крючок соприкасался с железной поверхностью, мышцы лягушки начинали непроизвольно сокращаться.
Свое открытие Гальвани назвал «животным электричеством», будучи твердо уверенным, что электрические заряды, которые взаимодействуют с металлическими предметами, образуются в живом организме. Сокращение мышц лягушки, как считал Гальвани, происходит в результате замыкания одного из нервов животного с помощью электропроводных материалов: медного крючка и плоского железного листа. При этом возникает замкнутая электрическая цепь, через которую и проходит электрический заряд, вызывая сокращение мышцы лягушки.
Выводы Гальвани привлекли внимание физика А. Вольта. Он проделал те же самые эксперименты с препарированной лягушкой, а затем решил пропустить через ее мускулы электричество какого-либо другого происхождения. В результате А. Вольта установил, что мускулы лягушки «ведут себя» точно так же, как и при прохождении через них зарядов «животного электричества».
Таким образом, Вольта решительно отверг существование какого бы то ни было «живого электричества». Он пришел к выводу, что на самом деле сокращение мышц лягушки лишь показывает прохождение через них электрического тока. Но почему же все-таки мышцы реагируют на электрический разряд, и какой предмет в данной ситуации можно считать источником электрического тока? Ученый высказал гипотезу, что источником тока может служить соединение двух разнородных металлических проводников.
Вольта предложил свою теорию «металлического» (впоследствии оно было названо гальваническим) электричества. Согласно этой теории, гальванический электрический ток возникает в результате контакта двух разных металлов (например, железа и меди).
Проведя серию экспериментов с проводниками, изготовленными из металлов разного рода, Вольта сумел доказать, что при контакте двух неодинаковых по происхождению металлов один из них становится положительно заряженным, а второй — отрицательно заряженным. Это открытие итальянского физика и получило название контактная разность потенциалов. Сам Вольта описывал это понятие, как разность напряжений металлов.
Однако в опытах с лягушками наблюдалось взаимодействие не только двух металлов, но и других веществ, например, металла и жидкости. Этот факт также привлек внимание Вольта, и он пришел к выводу, что все проводники необходимо разделить на два типа. К одному типу следует отнести металлы и другие твердые вещества, а к другому — жидкие вещества. К тому же, Вольта установил, что разность потенциалов можно наблюдать только при контакте проводников, принадлежащих к первому типу. Проанализировав опыты, в которых на мускулатуру лягушки воздействовали электрическим разрядом, Вольта решил, что контакт двух разнородных металлов неизбежно приводит к нарушению в них электрического баланса. Поскольку чередование нарушения и восстановления электрического баланса происходит постоянно, значит, поток электрических разрядов находится в непрестанном движении. Такой вывод привел ученого к мысли о том, что существует постоянный электрический ток и вполне возможно получить источник постоянного тока.
Таким образом, проведение экспериментов «с участием» препарированных лягушек способствовало открытию Вольтом постоянства движения электрических зарядов. Видимо, не напрасно пострадал этот знаменитый ученый от многочисленных насмешек своих коллег-физиков, окрестивших его «лягушачьим учителем танцев».
Используя полученные выводы, в 1800 году Вольта изобретает прибор, прославивший этого ученого на весь мир — гальваническую батарею, так называемый Вольтов столб. Конструкция первой гальванической батареи включала в себя множество пластинок, отлитых из серебра и цинка. Между каждыми двумя пластинками располагались кусочки картона, предварительно смоченные солевым раствором. Это сооружение и представляло собой источник постоянного электрического тока.
Постоянный электрический ток — это такой ток, величина и направление которого не подвергаются изменениям с течением времени. Под направлением электрического тока подразумевается то направление, в котором положительные заряды перемещаются под воздействием разности потенциалов (разности напряжений). Конечно же, это все вовсе не значит, что в проводниках могут приходить в движение одни лишь положительные электрические заряды. В металлических проводниках, наоборот, перемещаются только отрицательно заряженные электроны, а в других типах проводников положительные и отрицательные заряды двигаются в противоположных направлениях. Поэтому под направлением электрического тока понимают то направление, которое противоположно движению электронов, то есть в сторону увеличения разности потенциалов.
Величина электрического тока выражается силой тока. Под силой тока в проводнике подразумевается то количество электричества, которое пропускается через сечение проводника в течение единицы времени.
Спустя некоторое время Вольта изобрел более эффективную и удобную в применении гальваническую батарею — чашечную. Открытие Вольта контактной разности потенциалов и гальванического электричества способствовало повышению интереса ученых-физиков к исследованию процессов, связанных с действием электрического тока, а также взаимодействием электрических и магнитных сил.
Открытие физического явления Ампером
В 1820 году датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока — создавать магнитное поле. Ампер подробно исследовал это явление. Новый взгляд на природу магнитных явлений возник у него в результате целой серии экспериментов. Уже в конце первой недели напряженного труда он сделал открытие не меньшей важности, чем Эрстед — открыл взаимодействие токов.
1 Портрет великого французского физика Андре Мари Ампера
Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которые создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей сейчас используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.
О полученных результатах Ампер сразу же сообщил в Академию. В докладе, сделанном 18 сентября 1820 года, он продемонстрировал свои первые опыты и заключил их следующими словами: «В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам». На заседании 25 сентября он развил эти идеи далее, демонстрируя опыты, в которых спирали, обтекаемые током (соленоиды), взаимодействовали друг с другом как магниты.
Новые идеи Ампера были поняты далеко не всеми учеными. Не согласились с ними и некоторые из его именитых коллег. Современники рассказывали, что после первого доклада Ампера о взаимодействии проводников с током произошел следующий любопытный эпизод. «Что же, собственно, нового в том, что вы нам сообщили? — спросил Ампера один из его противников. — Само собою ясно, что если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, то они оказывают действие и друг на друга». Ампер не сразу нашелся, что ответить на это возражение. Но тут на помощь ему пришел Араго. Он вынул из кармана два ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же они никак не действуют друг на друга, и потому ваше заключение ошибочно. Ампер открыл, по существу, новое явление, куда большего значения, чем открытие уважаемого мной профессора Эрстеда».
Несмотря на нападки своих научных противников, Ампер продолжал свои эксперименты. Он решил найти закон взаимодействия токов в виде строгой математической формулы и нашел этот закон, который носит теперь его имя. Так шаг за шагом в работах Ампера вырастала новая наука — электродинамика, основанная на экспериментах и математической теории. Все основные идеи этой науки, по выражению Максвелла, по сути дела, «вышли из головы этого Ньютона электричества» за две недели [2].
Некоторые факты биографии
Андре-Мари Ампер родился 22 января 1775 года. Детство его прошло в небольшом поместье Полемье в окрестностях Лиона, купленном отцом. Жан-Жак Ампер, умный и уравновешенный человек, чье чувство долга перевешивало инстинкт самосохранения.
2 Полемье — дом Ампера
Он был полон решимости выполнять каждую работу, которая у него была, в меру своих возможностей — будь то воспитание сына или исполнение обязанностей мирового судьи. В 1782 году он вышел на пенсию и полностью посвятил себя воспитанию своих детей, особенно своего сына, который, как он вскоре понял, был необычным ребенком. Отчасти по необходимости (в Полеймье не было школы), а отчасти по собственному выбору — некоторые предполагают, что он хотел дать своему сыну воспитание, подобное тому, которое отстаивал Руссо в Emile, or On Education), неортодоксальное образование Андре-Мари напоминало то, что сегодняшние самодельные педагоги могли бы назвать «необучением»: его поощряли брать на себя ответственность за собственное обучение, предоставляли доступ к библиотеке отца и преподавали разнообразные эклектичные предметы, которые больше всего интересовало его в данный момент.
Для большинства детей этот метод вызывает сомнения; но когда ваш ребенок оказывается гением и эрудитом, он работает просто отлично. Андре-Мари был одаренным и инициативным в своем обучении. Чтению и арифметике выучился очень быстро. Читал мальчик все подряд, что находил в отцовской библиотеке. Уже в 14 лет он прочитал все двадцать восемь томов французской «Энциклопедии». Особый интерес Андре проявлял к физико-математическим наукам. Но как раз в этой области отцовской библиотеки явно не хватало, и Андре начал посещать библиотеку Лионского колледжа, чтобы читать труды великих математиков.
Изучение трудов классиков математики и физики было для юного Ампера творческим процессом. Он не только читал, но и критически воспринимал прочитанное. У него возникали свои мысли, свои оригинальные идеи. Именно в этот период, в возрасте 13 лет, он представил в Лионскую академию свои первые работы по математике [3].
Теория электродинамики исключительно из опыта
С 1820 по 1826 год Ампер публикует ряд теоретических и экспериментальных работ по электродинамике и почти на каждом заседании физического отделения Академии выступает с докладом на эту тему. В 1826 году выходит из печати его итоговый классический труд «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Работа над этой книгой проходила в очень трудных условиях. В одном из писем, написанных в то время, Ампер сообщал: «Я принужден бодрствовать глубокой ночью. Будучи нагружен чтением двух курсов лекций, я, тем не менее, не хочу полностью забросить мои работы о вольтаических проводниках и магнитах. Я располагаю считанными минутами».
3 Знаменитый ученый Ампер был очень рассеян (обложка «Эхо Рождества» № 769 от 31
Слава Ампера быстро росла; особенно лестно ученые отзывались о его экспериментальных работах по электромагнетизму. Его посещали знаменитые физики, он получил ряд приглашений из других стран выступить с докладами о своих работах. Но здоровье его было подорвано, неустойчивым было и материальное положение. Его тяготила работа в Политехнической школе и инспекторские обязанности. Он по-прежнему мечтал читать курс физики, а не математики, и читать нетрадиционно, включив в курс новый раздел — электродинамику, творцом которой он сам являлся.
Последние годы жизни Ампера были омрачены многими семейными и служебными неприятностями, тяжело отражавшимися на его и без того слабом здоровье. Внешние признаки успеха не принесли материального благополучия. Он по-прежнему был вынужден уделять много времени чтению лекций в ущерб своим научным занятиям. Но науку он не оставлял.
В 1835 году он опубликовал работу, в которой доказал сходство между световым и тепловым излучениями и показал, что все излучения при поглощении превращаются в тепло. К этому же времени относится увлечение Ампера геологией и биологией. Он принял активное участие в научных спорах между знаменитыми учеными Кювье и Сент-Илером, предшественниками эволюционной теории Дарвина, и опубликовал две биологические работы, в которых изложил свою точку зрения на процесс эволюции. На одном из диспутов противники идеи эволюции живой природы спросили Ампера, действительно ли он считает, что человек произошел от улитки. На это Ампер ответил: «Я убедился в том, что человек возник по закону, общему для всех животных».
Другим увлечением Ампера была классификация наук. Эта важная в методологическом и общенаучном плане проблема интересовала Ампера давно, еще со времени его работы в Бурк-ан-Бресе. Он разработал свою систему классификации наук, которую намеревался изложить в двухтомном сочинении. В 1834 году вышел первый том «Опыты философии наук или аналитического изложения естественной классификации всех человеческих знаний». Второй том был издан сыном Ампера уже после его смерти [2].
Интересно? Еще можно почитать
1) «В 1829 г., больной и поправляющий здоровье в Оранже, в Йере, в скучной атмосфере юга, он вернулся в беседах с сыном к своим прерванным идеям; но теперь это была не только метафизика, теперь он взялся горячо за всю совокупность человеческих знаний и за свой старый проект универсального обозрения». [. ]
Отвечая на поставленные вопросы. Ампер выделил четыре возможные точки зрения на предметы данной науки, соответствующие различным степеням нашего проникновения в явления: прямое наблюдение, изучение того, что скрыто в предмете, изучение изменений предмета и раскрытие причин и следствий«.
Этот и еще 158 материалов VIKENT.RU по теме Методология науки
2) Видео: ТВОРЧЕСКИЕ ТЕХНИКИ и ПОДХОДЫ
Магнитное взаимодействие токов
Магнитные явления известны людям еще с древнего мира. Компас появился свыше 4 , 5 тысяч лет назад. В Европе его изобрели примерно в XII веке н.э. Но только в XIX веке ученые обнаружили связь между электричеством и магнетизмом, благодаря чему появились первые представления о магнитном поле.
Датский физик Х. Эрстед в 1820 -м году в своих первых экспериментах выявил глубокую связь между электрическими и магнитными явлениями. Опыты ученого показали: на магнитную стрелку, которая находится рядом с электрическим проводником, действуют силы, стремящиеся ее повернуть. В это же время французский физик А. Ампер проводил наблюдения над силовым взаимодействием 2 -х проводников с токами и открыл закон взаимодействия токов.
С точки зрения современной науки, проводники с током взаимодействуют друг с другом не непосредственно, а при помощи окружающих их магнитных полей.
Если угол α между направлениями вектора B → и тока в проводнике. Больше или меньше 90 ° , тогда для выяснения направления силы Ампера F → удобнее использовать правило буравчика.
Рисунок 1.16.5. Модель взаимодействия параллельных токов.
Рисунок 1.16.6. Модель рамки с током в магнитном поле.
Майкл Фарадей – ученый, открывший электромагнитную индукцию
Майкл Фарадей (Michael Faraday). Родился 22 сентября 1791 года в Лондоне. Английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского королевского общества и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук.
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий — первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны.
Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др. Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля — непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
В первой половине XIX века он заслужил славу «короля экспериментаторов». Всю жизнь он вёл аккуратные лабораторные дневники своих опытов (изданы в 1931 году). Последний эксперимент по электромагнетизму помечен в соответствующем дневнике номером 16041, всего Фарадей провёл за свою жизнь около 30000 экспериментов.
С 1820 года Фарадея чрезвычайно увлекла проблема исследования связей между электричеством и магнетизмом. К этому моменту уже существовала и стараниями К. Гаусса и Дж. Грина была в основном разработана наука электростатика. В 1800 году А. Вольта открыл мощный источник постоянного тока («вольтов столб»), и начала стремительно развиваться новая наука — электродинамика. Сразу же были сделаны два выдающихся открытия: электролиз (1800 год) и электрическая дуга (1802 год). Но главные события начались в 1820 году, когда Эрстед обнаружил на опыте отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие электричество и магнетизм, построили в том же году Био, Савар и позже Лаплас. А. Ампер, начиная с 1822 года, опубликовал свою теорию электромагнетизма, по которой первичным явлением является дальнодействующее взаимодействие проводников с током. Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники. Среди прочего, Ампер открыл электромагнит (соленоид). После серии опытов Фарадей опубликовал в 1821 году трактат «О некоторых новых электромагнитных движениях и о теории магнетизма», где показал, как заставить намагниченную стрелку непрерывно вращаться вокруг одного из магнитных полюсов. По существу эта конструкция представляла собой ещё несовершенный, но вполне практичный электродвигатель, впервые в мире осуществивший непрерывное превращение электрической энергии в механическую.
Признанием научных заслуг Фарадея стало избрание его членом-корреспондентом Парижской Академии наук (1823). Фарадей был рекомендован на должность директора физической и химической лабораторий.
После первых успехов в фарадеевских исследованиях электромагнетизма наступила десятилетняя пауза и до 1831 года он почти не публиковал работы на эту тему: опыты не давали желаемого результата, новые обязанности отвлекали, возможно, повлиял также неприятный скандал 1821 года. В 1830 году Фарадей получил профессорскую кафедру сначала в Королевской военной академии (Вулидж), а с 1833 года — и в Королевском институте (по химии). Читал он лекции не только в Королевском институте, но и в нескольких других научных организациях и кружках. Современники чрезвычайно высоко оценивали преподавательские качества Фарадея, умевшего сочетать наглядность и доступность с глубиной рассмотрения предмета. Его научно-популярный шедевр для детей «История свечи» (популярные лекции, 1861 год) издаётся до сих пор. В 1822 году в лабораторном дневнике Фарадея появилась запись: «Превратить магнетизм в электричество». Рассуждения Фарадея были следующими: если в опыте Эрстеда электрический ток обладает магнитной силой, а, по убеждению Фарадея, все силы взаимопревращаемы, то и движение магнита должно возбуждать электрический ток. Путь к электрогенератору оказался нелёгким — первые опыты были неудачны. Главной причиной неудач было незнание того факта, что электрический ток порождается только переменным магнитным полем, причём достаточно сильным (иначе ток будет слишком слаб для регистрации). Для усиления эффекта следовало магнит (или проводник) быстро двигать, а проводник свернуть в катушку. Только десять лет спустя, в 1831 году, Фарадей нашёл, наконец, решение проблемы, обнаружив электромагнитную индукцию. С этого открытия начался самый плодотворный период исследований Фарадея (1831-1840), давший научному миру его знаменитую серию статей «Экспериментальные исследования по электричеству» (всего он опубликовал в «Philosophical Transactions» 30 выпусков, выходивших с 1831 по 1835 год). Уже в 1832 году Фарадей за открытие индукции был награждён медалью Копли. Сообщение об опытах Фарадея немедленно вызвало сенсацию в научном мире Европы, массовые газеты и журналы также уделяли им немало внимания. Множество научных организаций избрали Фарадея своим почётным членом (всего он получил 97 дипломов).
Если открытие электродвигателя показало, как можно использовать электричество, то опыты по индукции указывали, как создать мощный его источник (электрогенератор). С этого момента трудности на пути широкого внедрения электроэнергии стали чисто техническими. Физики и инженеры активно занялись исследованием индукционных токов и конструированием всё более совершенных электротехнических устройств; первые промышленные модели появились ещё при жизни Фарадея (генератор переменного тока Ипполита Пикси, 1832), а в 1872 году Фридрих фон Хефнер-Альтенек представил высокоэффективный генератор, впоследствии улучшенный Эдисоном. В 1832 году Фарадей исследовал ещё одну важную в те годы проблему. На тот момент были известны несколько источников электричества: трение, вольтов столб, некоторые животные (например, электрический скат), фарадеевская индукция, термоэлемент (открыт в 1821 году, см. эффект Зеебека).
Майкл Фарадей умер 25 августа 1867 года за письменным столом, немного не дожив до 76-летия.
При подготовке статьи были использованы материалы с сайтов: ru.wikipedia.org, biographe.ru и stuki-druki.com.
Пресс-центр АО «ЮРЭСК»