Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

1.5. УСТАНОВЛЕНИЕ СХОДСТВА И ПОДОБИЯ МЕЖДУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И МАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ

Постепенно электрические эксперименты перестают быть модными развлечениями и все более превращаются в мощное средство познания неизведанных тайн природы.

Мировую известность приобрел трактат петербургского академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724–1802 гг.) «Опыт теории электричества и магнетизма», изданный в Петербурге в 1759 г. [1.11]. Ф. Эпинус впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результате многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов турмалина при их нагревании и охлаждении (1752 г.). Это явление позднее получило название пироэлектричества. Образование разноименных зарядов на противоположных сторонах кристаллов он уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей речи на общем собрании Академии наук в 1758 г. Ф. Эпинус говорил «не только о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической силы, но и сокровенном обеих сил точном подобии» и, будто испугавшись дерзости своих мыслей о «подобии» этих различных – по утверждениям многих его современников – явлений, он в конце речи добавил: «Но я таким образом заключать не отважусь». И не удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока «сходство и подобие» электрических и магнитных явлений было убедительно доказано М. Фарадеем.

Независимо от Ф. Эпинуса итальянский ученый Джамбаттиста Беккария (1716–1781.гг.) в 1758 г. выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией электрического флюида и магнетизмом».

Ф. Эпинусу принадлежит открытие явления электростатической индукции; он впервые отверг утверждение Б. Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и применил плоский конденсатор с воздушной прослойкой. Он правильно утверждал, что чем меньше расстояние между обкладками банки и чем больше их поверхность, тем выше «степень электричества».

Предполагая, что «сила электрического потрясения» зависит главным образом от степени «сгущения электрической жидкости», Ф. Эпинус близко подошел к понятиям о потенциале и емкости. Ф. Эпинусом были поставлены эксперименты, воспроизводящие явления, имеющие место в приборе, названном позднее «электрофором». Изобретение электрофора обычно приписывают А. Вольта, но сам А. Вольта отмечал, что Ф. Эпинус осуществил на практике идею электрофора, «хотя и не сконструировал законченного лабораторного прибора».

В своем сочинении Ф. Эпинус предложил теорию электрических и магнитных явлений, которая основывалась на существовании электрической и магнитной жидкостей. Заслуживает внимания его попытка впервые применить математические расчеты для характеристики взаимодействия заряженных тел. При этом он задолго до Кулона высказал предположение о том, что силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадратам расстояния между ними. Ф. Эпинусом также была высказана правильная мысль о сохранении количества электричества: для увеличения «количества электрической материи» в одном теле ее «неизбежно нужно взять вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле».

Говоря о возникновении понятий «потенциал» («напряжение») и «емкость», необходимо отметить большой вклад выдающегося итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827 гг.) [1.1; 1.6; 1.12]. Его по праву можно назвать основателем электрической метрологии. В ряде своих работ (1778–1782 гг.) он четко формулирует количественные зависимости между электрическим зарядом, емкостью и напряжением. «Когда емкость больше, то данное количество электричества вызывает меньшее напряжение… емкость и электрическое действие, или напряжение, находятся в обратном отношении». Причем под термином «напряжение» он понимает интенсивность «или усилие, производимое каждой точкой наэлектризованного тела». А. Вольта создал более совершенные электрофоры и электроскопы, в частности конденсаторный электроскоп.

Среди ряда теорий электричества, разработанных в XVIII в., заслуживает внимания теория петербургского академика Леонарда Эйлера (1707–1783 гг.) – одного из выдающихся ученых своего времени. Подобно М.В. Ломоносову Л. Эйлер отрицал существование особой электрической материи и считал, что электрические явления обусловлены разрежением и сгущением эфира. Эта теория является дальнейшим развитием идей М.В. Ломоносова и приближается к эфирным теориям электричества XIX в. Л. Эйлером описана также и одна из конструкций электростатической машины (1761 г.), от которой заряжалась лейденская банка.

Углубление исследований в области статического электричества не могло не привести к опровержению ряда ошибочных выводов, сделанных физиками в начальный период изучения явления электричества. Одним из таких ошибочных выводов было, как уже отмечалось, утверждение о невозможности электризации металлов трением.

В конце XVIII в. ряд европейских ученых, а также В.В. Петров приходят к заключению о том, что металлы могут быть наэлектризованы посредством трения при условии их тщательной изоляции. Наиболее убедительно это было доказано В.В. Петровым в его труде, изданном в 1804 г. [1.8]. Он показал, что особенно эффективным способом электризации металлов является «стегание» их выделанным мехом некоторых животных; он разработал ряд новых методов электризации различных тел, а также установил влияние влажности окружающего воздуха на интенсивность электризации. Эти выводы В.В. Петрова, а также его указание на неустойчивость явления электризации тел подтверждены современными исследованиями.

Заслуживает внимания утверждение В.В. Петрова о возможности электризации человеческого тела посредством «стегания». Это позволяло врачам (он подчеркивает это в своем труде) применять электролечение без установки электростатической машины, которую не всякий медик мог иметь в своем распоряжении.

Результаты опытов по электризации тканей, осуществленных В.В. Петровым, привели его к созданию электрофора оригинальной конструкции, в котором основание из смолы было заменено тщательно просушенной «мягкой байкой», сложенной в четыре слоя. Ученый провел целую серию новых экспериментов по электризации ртути и других веществ посредством трясения их в стеклянных сосудах.

В.В. Петров специально изучал явления статического электричества в разреженном воздухе и атмосфере различных газов. С этой целью он построил совершенно оригинальную электростатическую машину (рис. 1.8), помещавшуюся под колоколом воздушного насоса. Установленный там же термометр позволял исследовать электрические разряды при разных температурах [1.8].

В частности, В.В. Петров убедительно подтвердил возрастание электрической проводимости воздуха при его нагревании; обнаружил образование оксидов азота при электрических разрядах в воздухе.

^{Рис. 1.8. Электростатическая машина Петрова} 

В последней четверти XVIII в. начинает все более проявляться новый образ мышления ученых, исследующих электрические и магнитные явления. Сделанные еще в 40–50-х годах М.В. Ломоносовым и Г.В. Рихманом первые шаги от качественных наблюдений к установлению количественных закономерностей вызывают все больший интерес. Возможность перехода к количественным исследованиям обусловливалась как успехами математики, так и совершенствованием измерительных устройств.

Как уже отмечалось, Ф. Эпинус пытался аналитически определить силу взаимодействия электрических зарядов. Вслед за ним английский ученый Генри Кавендиш (1731–1810 гг.) в своей статье (1771 г.) указывал на то, что притяжение двух электрических зарядов обратно пропорционально расстоянию в степени меньше третьей. В 1766 г. англичанин Т. Лейн изобрел новый тип электрометра, представлявшего собой разрядник с градуированием расстояния между электродами. С помощью такого электрометра можно было по расстоянию, при котором происходил пробой, определять напряжение электростатической машины. Известны также попытки физиков найти закон магнитного действия.

Важнейшим шагом в развитии количественных исследований электрических и магнитных явлений было установление закона о силе взаимодействия между наэлектризованными телами и магнитными полюсами. Этими вопросами занимались многие ученые (Ф. Эпинус, Г. Кавендиш и др.), высказавшие предположение о «законе обратных квадратов».

Но наибольших успехов сумел достичь французский военный инженер Шарль Огюстен Кулон (1736–1806 гг.). В течение нескольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, который вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок. В 1785 г. Ш. Кулон установил, что «сила кручения пропорциональна углу закручивания». Он решил использовать этот прибор для измерения «малых электрических и магнитных сил». Прибор позволял измерять «мельчайшие степени силы», и Ш. Кулон назвал его «крутильными весами» (рис. 1.9) [1.1; 1.2; 1.6].

В результате многочисленных экспериментов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «количеству электричества» (этот термин был им впервые введен в науку) заряженных тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. При этом в любой точке поверхности сила направлена перпендикулярно к этой поверхности. Так был открыт Ш. Кулоном знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон Ш. Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов.

^{Рис. 1.9. Крутильные весы Ш. Кулона}

^{1 – микрометрический круг с указателем и зажимом для подвешивания металлической нити 2, на которой висит стрелка 3 с бузиновым шариком; 4 – неподвижный бузиновый шарик, заряжаемый электрическим зарядом} 

Ш. Кулон аналитически и экспериментально доказал, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы. Исследования Ш. Кулона способствовали применению математического анализа в теории электричества и магнетизма, распространению математического понятия потенциала (ранее введенного в механику) на электрическое и магнитное поля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Кудрявцев П.С. История физики. М: Учпедгиз, М., 1948; т. 2, 1956.

1.2. Лебедев В. Электричество, магнетизм и электротехника в их историческом развитии. Дофарадеевский период. М. – Л.: Гостехиздат, 1937.

1.3. Кузнецов Б.Г. История энергетической техники. М. – Л.: Гостехиздат, 1937.

1.4. Белькинд Л.Д., Конфедератов И.Я., Шнейберг Я.А. История техники. М.: Госэнергоиздат, 1956.

1.5. История энергетической техники / Л.Д. Белькинд, О.Н. Веселовский, И.Я. Конфедератов, Я.А. Шнейберг. М.: Госэнергоиздат, 1960.

1.6. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. М.: Изд-во МЭИ, 1993.

1.7. Карцев В.П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988.

1.8. Петров В.В. Новые электрические опыты. СПб., 1804.

1.9. Болотов А.Т. Краткие и на опытности основанные замечания о электрицизме и о способности электрических махин к помоганию от разных болезней. СПб., 1803.

1.10. Ломоносов М.В. Избранные философские произведения. М.: ГосПолитиздат, 1950.

1.11. Эпинус Ф.У. Опыт теории электричества и магнетизма. СПб., 1759.

1.12. Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.

1.13. Околотин B.C. Вольта. М.: Молодая гвардия, 1986.

1.14. История энергетической техники СССР. М.: Госэнергоиздат, 1957.

Глава 2.
НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
(1800–1870 гг.)

2.1. ИССЛЕДОВАНИЯ ЛУИДЖИ ГАЛЬВАНИ

В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII в. ученым были известны только явления статического электричества. Промышленный переворот в XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науки об электричестве. Как уже отмечалось в гл. 1, в изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но и естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и небезуспешно!) применять электричество для лечебных целей.

Отдельные ученые высказывали предположения, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были электрические рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названном «животным».

И не случайно исследованием мышечных движений лягушек занялся в 1773 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты Л. Гальвани над лягушками относятся к 1770 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность [1.6; 1.12].

Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Л. Гальвани заметил, что если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И, действительно, при возникновении молнии мышцы лягушки сокращались. Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться при ясной погоде, Л. Гальвани прикрепил медный крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки, к столу, он снова увидел сильные сокращения. Однако после замены одного из металлов непроводником сокращений не происходило. Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.

Л. Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокращение мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы и нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшиеся с телом лягушки, не могли, по представлениям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к другим, наэлектризованным телам; тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого – «животного» электричества; такую мысль и высказал Л. Гальвани для объяснения наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Л. Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Тело животного являлось, согласно взглядам Л. Гальвани, своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие.

Опыты Л. Гальвани вызвали большой интерес. Среди физиологов стала еще больше, чем ранее, укрепляться мысль об электричестве как удивительном новом средстве для исцеления. Что касается физиков, то их взгляды на явления, наблюдавшиеся Л. Гальвани, разошлись. Одни соглашались с Л. Гальвани и считали, что «гальваническое», или «животное», электричество имеет совершенно иную природу, чем электричество трения; другие отождествляли оба вида электричества; наконец, третья группа физиков оспаривала вообще существование «животного» электричества. К этой группе принадлежал профессор физики в Павийском университете Алессандро Вольта.

2.2. СОЗДАНИЕ ПЕРВОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

В течение нескольких лет (1792–1795 гг.) А. Вольта не только повторил все опыты Л. Гальвани, но и произвел ряд новых исследований. И если Л. Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то А. Вольта, будучи физиком, искал в них физические процессы [1.1; 1.6; 1.12; 1.13].

А. Вольта прежде всего обратил внимание на факт, уже известный Л. Гальвани, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов. Продолжая исследования, он отверг идеи Л. Гальвани о «животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества», – утверждал А. Вольта. А «… лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр» [1.1; 1.2].

Обобщением исследований А. Вольта была предложенная им теория «контактного электричества». Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого – на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, А. Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами. – Авт.) [1.2].

Произведя исследование этого вопроса при помощи созданного им весьма чувствительного прибора – электроскопа с конденсатором, А. Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены один от другого.

С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т.е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория контактного электричества нашла много сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели А. Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников – металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Опыты А. Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 2.1).

^{Рис. 2.1. Вольтов столб}

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) А. Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака – на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода – суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющих пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, А. Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя А. Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению – окисляются, тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

^{Рис. 2.2. Чашечная батарея Вольта} 

А. Вольта предложил кроме столба еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока – так называемую чашечную батарею (рис. 2.2), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (влажную суконную прокладку столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались одна медная и одна цинковая пластины. Кроме предложенных А. Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники. Современник А. Вольта, выдающийся французский ученый академик Доменик Франсуа Араго (1786–1853 гг.) считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб – это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений. Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока. Как будет видно из последующего, крупнейшие ученые первой половины XIX в. В.В. Петров, X. Дэви, А. Ампер, М. Фарадей широко применяли вольтов столб для своих опытов.

Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его современниками. Легенды об А. Вольта ходили среди ученых уже при его жизни. Создав вольтов столб, А. Вольта подарил миру, как писал один из его биографов, «невиданный ранее источник электричества, не порциями, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».

Заслуживают внимания трактат А. Вольта «Об идентичности гальванического и электрического флюидов», его высказывания о «сходстве» электричества и магнетизма.

Современники называли А. Вольта самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «Вольт».