ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Дальнейшее изучение явлений электричества и магнетизма привело к открытию новых фактов [1.4–1.6].

В 1821 г. профессор Берлинского университета Томас Иоганн Зеебек (1770–1831 гг.), занимаясь исследованием возможности получения электрического тока посредством двух разнородных металлов без участия какой‑либо жидкости, открыл новое явление, заключавшееся в следующем. К висмутовой пластине 7–2 (рис. 2.10) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовавшегося контура помещалась магнитная стрелка SN. При подогревании одного из спаев магнитная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока. Так, например, если прибор был установлен в направлении плоскости магнитного меридиана, то при нагревании спая 2 северный полюс магнитной стрелки отклоняется на восток. Это отклонение показывает, что в металлах идет ток, имеющий направление над стрелкой справа налево, а под нею слева направо.

Если вместо нагревания спая 2 охлаждать спай 7, то в контуре возникает ток такого же направления, как и в предыдущем случае. Т.И. Зеебек правильно установил, что причина появления электрического тока в этих опытах связана с теплотой, сообщаемой спаю или отнимаемой от него, и назвал обнаруженное явление «термомагнетизмом» (позднее этот термин был заменен на «термоэлектричество»).

^{Рис. 2.10. Схема опыта Зеебека}

Фундаментальное исследование вопроса о направлении термоэлектрического тока произвел французский ученый Антуан Сезан Беккерель (1788–1878 гг.). Ему удалось расположить металлы в термоэлектрический ряд, в котором каждый предыдущий металл дает ток через нагретый спай к каждому последующему. А.С. Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возникнуть не только при использовании разнородных металлов, но и при различии в структуре или плотности проводника с одной и другой стороны от нагреваемого места.

В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности получали применение только для измерения температур. Как известно, благодаря успехам современной науки и техники в области полупроводников созданы предпосылки для разработки более экономичных термоэлементов.

В 1834 г. французским ученым Жаном Шарлем Пельтье (1785–1845 гг.) были обнаружены более широкое проявление термоэлектрических действий и их обратимость: при прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение теплоты в зависимости от направления тока. В 1838 г. явление Ж.Ш. Пельтье было изучено в Петербурге академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804–1865 гг.), который, пользуясь этим методом, заморозил воду, окружавшую место спая. Позднее были созданы специальные устройства – термопары, применяемые для измерения температур, лучистой энергии и др.

Открытие явления термоэлектричества явилось существенным вкладом в науку и сыграло свою роль в подготовке к открытию закона сохранения и превращения энергии.

Как уже отмечалось, еще В.В. Петров в начале XIX в. указал на связь между поперечным сечением проводника и значением тока в нем. В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника зависит от материала и температуры; он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади поперечного сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789–1854 гг.) [1.6; 2.4].

Первый этап исследований, начатых Г.С. Омом в 1821 г., когда он работал преподавателем математики и физики в г. Кельне, относился к изучению проводимости различных проводников. Значение тока измерялось по магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Ш. Кулона (см. гл. 1), но вместо бузиновых шариков над проводником была подвешена магнитная стрелка. По углу кручения нити можно было судить о токе, действующем на стрелку. Располагая проводник в направлении магнитного меридиана, Г.С. Ом установил постоянство угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи. Г.С. Ом стремился определить проводимость проволок из различных материалов, он убедился во влиянии температуры на проводимость проводников.

Во время проведения опытов Г.С. Ом столкнулся с большими трудностями: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации, механизм работы источников питания был неизвестен, общепринятых методов определения электропроводности проводников не существовало, в научную практику не были введены величины, характеризующие ток в цепи, не было приборов для измерения этих величин. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответствующие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все это потребовало от Г.С. Ома незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических батарей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Г.С. Ому удается вывести формулу, связывающую «силу магнитного действия проводника» (т.е. ток) с электровозбуждающей силой (ЭДС) источника и сопротивлением цепи, – это уже была основа закона электрической цепи. Продолжая совершенствовать измерительную установку, Г.С. Ом разрабатывает оригинальные теоретические положения, характеризующие процессы в электрических цепях. С этой целью он внимательно изучает теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики и впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками; при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разности уровней воды в трубах.

В 1827 г. выходит в свет его фундаментальный труд «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г.С. Омом» (он также известен под названием «Теоретические исследования электрических цепей»). Закон, носящий его имя, Г.С. Ом сформулировал следующим образом: «Величина тока гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин»[2](под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи).

Г.С. Ом доказал справедливость формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действию тока. Несколько лет закон Г.С. Ома не получал признания, отчасти потому, что в первых его публикациях были допущены неточности, а также по причине недостаточной известности имени скромного школьного учителя.

Однако после подтверждения правильности закона Г.С. Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Эмилий Христианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801–1874 гг.), а также присуждения Г.С. Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.) его труд по праву занял почетное место. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления была названа «Ом».

Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г.С. Ома, М. Фарадея, Э.Ф. Ленца, требовали более точного количественного описания этих явлений, их математического анализа и разработки расчетных методов, необходимых для решения практических задач, выдвигаемых развивающимся производством. Выдающимся вкладом в решение этих проблем явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824–1887 гг.).

В 1845 г., когда Г.Р. Кирхгофу был всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину, например, круглой формы». В примечании к этой работе были сформулированы два закона Г.Р. Кирхгофа, являющиеся фундаментальными законами теоретической электротехники, которые еще при жизни Г.Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко применяются электротехниками всего мира. В последующих трудах Г.Р. Кирхгофа были рассмотрены количественные соотношения, связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Г.Р. Кирхгоф проявил себя как блестящий исследователь и экспериментатор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения) [1.1; 1.6; 2.5].