Вопрос 2. Электрический ток и законы электромагнетизма

Важнейшее открытие сделал в 1791 г. Луиджи Гальвани, открывший «гальваническое электричество». Он заметил, что мышцы препарата ля­гушки, лежащей на металлической поверхности, сильно сокращались при прикосновении к ним скальпелем. Это сокращение было подобно тому, которое наблюдалось при воздействии на мышцы заряда от электриче­ской машины. Суть своего открытия Гальвани не понял. Он предположил, что положительное электричество находится в нерве, а отрицательное — в мышце.

Открытие Гальвани привлекло внимание многих ученых, в том числе и знаменитого физика и физиолога Алессандро Вольта, который некоторое время разделял воззрения Гальвани. Однако в 1800 г. он понял, что подергивание лап лягушки в опытах Гальвани вызвано контактом разнородных металлов,а вовсе не «животным электричеством». Исходя из этого, онпоместил пластины из цинка и меди в кислоту и получил непрерывный электрический ток. Вольта назвал свое изобретение «электрический ор­ган». Это был первый химический источник постоянного тока на медно­цинковой паре («вольтов столб» или «батарея Вольта»).

Большой вклад в изучение действия электрического тока внес рос­сийский профессор физики Василий Владимирович Петров, построивший в 1803 г. самую мощную по тем временам батарею, составленную из 2100 гальванических элементов. С помощью этой батареи он на 10 лет раньше известного английского физика Дэви открыл электрическую дугу, установил зависимость силы постоянного тока от площади поперечного сечения проводника. В своих опытах он широко применял параллельное соединение нение электрических цепей. Петров выполнил исследования химического действия тока и измерял электропроводность различных веществ; изучение явления электрического разряда в вакууме, исследовал явление люминесценции. Свои результаты он опубликовал в 1803 году в статье, названая им «Известие о Гальвани - Вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной батареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков и находящей при Санкт-Петербургской Медико-Хирургической академии». Труды Перова, к сожалению, после его смерти и до начала XX века были предан забвению и не оказали влияние на развитие науки ни в России, ни за рубежом. Ученый мир вновь узнал о них только в 1887 г., когда студент Санкт-Петербургского университета И. А. Гершун, впоследствии профессор, будучи в 1886 г. на каникулах в городе Вильно, случайно наткнулся на их труды в местной библиотеке и опубликовал статью в журнале «Электричество».

Один из основных законов электротехники, определяющий зависи­мость между напряжением и током, текущим через сопротивление, был установлен в 1827 г. немецким школьным учителем физики Георгом Симоном Омом. На первых порах он использовал в своей экспериментальной установке химические элементы тока, которые, как оказалось, во вре­мя опытов из-за поляризации заметно изменяли свое напряжение. Впо­следствии он стал пользоваться термоэлектрической батареей. Он внес ^в Физику новые понятия «электродвижущая сила», «уровни напряжения», «сила тока».

Получив свою формулу, являющуюся сегодня азбукой электротехники, Ом надеялся, что его экспериментальные работы откроют ему дорогу в университет, чего он очень хотел. Однако его исследования прошли незамеченными. Только через 15 лет его результаты постепенно стали пользоваться признанием среди ученых.

В 1847 г. Густав Кирхгоф с помощью закона Ома создал названный его именем метод определения токов и напряжений в разветвленной электрической цепи. Закон Ома и метод расчета электрических цепей Кирхгофа стали фундаментом для создания в последующие годы методов расчета сложных электрических цепей, которые широко применяются в электросвязи.

Огромный вклад в науку об электричестве и магнетизме внес английский физик Майкл Фарадей. Он является основоположником учения об электромагнитном поле. Им были открыты основные закономерности химичес­кого действия электрического тока, установлена взаимосвязь между элек­тричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. В 1831 г. он открыл очень важное явление, составляющее основу электротехники — электромагнитную индукцию. (Следует отметить, что независимо это же явление было открыто также американским физиком Джозефом Генри в 1832 г.) Явле­ние электромагнитной индукции лежит в основе электротехники. В 1833 г. российский академик Эмилий Христианович Ленц сформулировал четкое правило, позволяющее определить направление индуцированных токов в проводниках, возникающих при электромагнитной индукции.

Особенно быстрое развития этого направления электротехники началось в 1867 г., когда Вернер Сименс — ученый, инженер и предприниматель,заменил используемые в индукционных машинах стальные магниты электромагнитами, которые питались вырабатываемым этими машинами током. Машинные генераторы стали широко применяться в радиосистемах с непрерывным излучением радиоволн в первой четверти XX века.

Пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, Фарадей в 1837 г. открыл поляризацию диэлектриков, которая заключается в смещение в них в противоположные сто­роны положительных и отрицательных электрических зарядов. Для физики в целом и для электросвязи в частности большое зна­чение имело открытие колебательного характера токов в электрическом контуре, содержащем емкость и индуктивность. Такие работы были нача­ты Джозефом Генри в 1838 г. Его исследования, завершенные в 1842 г., показали,что разряд лейденской банки состоит не из одного перехода электричества с одной обкладки на другую, а из целой серии быстро зату­хающих электрических колебаний. Подобные же исследования выполнил в 1847 г. Герман Гельмгольц. В 1853 г. Вильям Томсон (лорд Кельвин) развил теорию электрических колебаний в контуре, состоящем из кон­денсатора электроемкостью С и катушки, индуктивность которой равна L, показав, что период этих колебаний определяется формулой: