Становлення основ теорії електричних ланцюгів і електромагнетизму

Як відомо, процеси в електричному ланцюзі визначаються скалярними величинами електрорушійної сили (або напруги) і струму. Поняття про електрорушійної силі ввів в обіг А. Вольта.

Після перших якісних і кількісних досліджень в 20-ті роки минулого століття стали формуватися фізичні основи теорії електричних струмів. Найбільший внесок тут був внесений роботами Ампера. Г. С. Ом своїм знаменитим законом, отриманим експериментальним шляхом, заклав основи розрахунків електричних ланцюгів. Ще до Кирхгофа різними у юними перебували струми в розгалуженнях ланцюгів (наприклад, Ленцем). Але тільки Кірхгофа в 1845-1847 рр. вдалося сформулювати відомі топологічні закони, названі його ім'ям. Закони Кірхффа лягли в основу всіх наступних методів розрахунку ланцюгів.

Англійський фізик Чарльз Уитстон (1802-1875 рр.) В зв'язку з роботами з удосконалення телеграфу шукав способи вимірювання опорів. В результаті він створив знаменитий «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 містка Уитстон застосував регульовані резистори, які він назвав реостатами. Пізніше (в 1860 р) Вернер Сіменс сконструював магазин опорів.

Один з найбільших німецьких вчених Герман Людвіг Гельмгольц (1821 - 1894 рр.) Ввів в 1853 р в теорію ланцюгів відомий раніше у фізиці принцип суперпозиції, на основі якого були побудовані важливі теореми електричних ланцюгів, включаючи теорему про еквівалентний джерелі (Гельмгольца - Тевенена) . Гельмгольц ж вперше отримав рівняння перехідного процесу в ланцюзі 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.

Після 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 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 факультету, а в 1863 був обраний ректором Петербурзького університету.

У своїй доповіді Петербурзької Академії наук 29 листопада 1833 р Е. X. Ленц, перебуваючи під великим враженням від робіт по електромагнітної індукції М. Фарадея, дав свою знамениту формулювання закону, названого його ім'ям: «Якщо металевий провідник рухається поблизу від гальванічного струму або магніту, то в ньому порушується гальванічний струм такого напрямку, що він міг би зумовити, в разі нерухомості даного провідника, його переміщення в протилежну сторону, причому передбачається, що таке переміщення може відбуватися тільки в напрямку руху або в напрямку, прямо протилежному ».

Очевидно, що в цьому формулюванні міститься і ідея принципу оборотності електричних машин, розвинена пізніше Б. С. Якобі.

Е. X. Ленд був одним з основоположників теорії магнітоелектричних машин. Йому належить відкриття і пояснення явища реакції якоря (1847 г.) і встановлення необхідності зрушувати щітки з геометричної нейтрали, він вперше вивчав зміщення фази струму щодо фази напрузі (1853 г.), придумав комутатор для вивчення форми кривої индуктированного струму (1857 г.) . Їм було встановлено умова режиму максимальної корисної потужності джерела енергії, коли внутрішній опір джерела дорівнює опору зовнішнього ланцюга. Широко відома робота Е. X. Ленца по тепловому дії струму (1842-1843 рр.), Яка була виконана незалежно від Джеймса Джоуля (1841 г.) і представляла собою настільки грунтовне дослідження, що відомому закону було справедливий присвоєно ім'я обох учених.

У 1867 р Максвелл зробив доповідь Лондонському Королівському товариству «Про теорії підтримки електричних струмів механічним 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 завадили 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 (характеристика холостого ходу, зовнішня і ін.). Їм же введено поняття про коефіцієнт магнітного розсіювання.

У травні 1886 р Дж. І Е. Гопкінсоки зробили доповідь в Лондонському Королівському товаристві «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. Перші диференціальні рівняння поля були записані Максвеллом в 1855-1856 рр. У 1864 році він дав визначення електромагнітного поля і заклав основи його теорії.

Заслуга Максвелла полягає в тому, що, використавши накопичений до нього величезний експериментальний матеріал, він узагальнив і розвинув прогресивні ідеї Фарадея, надавши їм струнку математичну форму.

У своїй праці «Трактат про електрику і магнетизм» (1873 г.) Максвелл виклав основи розробленої ним теорії поля, що є наріжним каменем сучасного вчення про електромагнетизм. Найважливіші 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 принцип замкнутості струму.

Одним з найважливіших висновків Максвелла є твердження про те, що магнітне і електричне поля тісно пов'язані між собою і зміна одного з них викликає появу іншого. Дослідження показали, що швидкість 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 значення всього того, що містилося в його «Трактаті про електрику і магнетизм», і того, що з нього випливало. Пізніше німецький фізик Г. Герц експериментально довів існування електромагнітних хвиль, а російський фізик П. Н. Лебедєв відкрив світлове тиск і визначив з дослідів його значення, що збігається з обчисленим по 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 розвиток, зокрема, в працях англійського фізика Дж. Г. Пойнтінга стосовно до електромагнітного поля (1884 г.).

Веселовський О. Н. Шнейберг А. Я "Нариси з історії електротехніки"