Беседы о физике и технике

Глухов Николай Данилович

РАССКАЖИТЕ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ МАГНЕТИЗМА

Примерно за 10 лет до этого датский ученый X. X. Эрстед (1777–1851) открыл явление, связанное с возникновением магнитного поля в пространстве вблизи проводника с током (рис. 21, а — в). Араго и Ампер в 1820 г. подтвердили открытие Эрстеда. Они же изготовили первый соленоид для получения мощного источника магнитного поля. Задача превращения электричества в магнитное поле была решена.

< image l:href="#"/>

Рис. 21. Эксперимент,

подтверждающий, что вокруг с током образуется магнитное поле

_{Источник ЭДС отключен (а); в цепи протекает электрический ток (б); ток протекает в противоположном направлении (в)}

Далее Фарадей делает попытку найти аналогию между действием электрического тока и эффектом, известным в электростатике как «индукция заряда». Здесь отрицательно заряженный предмет, будучи поднесенным к незаряженному изолированному проводнику, притягивает положительные заряды ближайшей по отношению к себе части проводника и отталкивает отрицательные заряды. Фарадей задался целью: нельзя ли таким же образом с помощью одного тока вызвать появление другого тока?

Пытаясь проследить за возникновением индуцированного тока во второй цепи, он обнаружил возникновение только коротких импульсов тока, появляющихся в момент включения или выключения тока в первой цепи. Им же было обнаружено, что ток индуцируется в проводнике или в катушке с намотанным на нее проводником, если катушка движется относительно магнита (рис. 22) или если магнит перемещается относительно неподвижных витков катушки (рис. 23).

Рис. 22. Возникновение ЭДС при пересечении проводником силовых линий постоянного магнита

Рис. 23. Возникновение ЭДС при перемещении постоянного магнита по отношению к неподвижным виткам катушки

На основании полученных данных Фарадей ввел представление о линиях магнитной индукции (силовых магнитных линиях) (рис. 24).

Рис. 24. Распределение линий магнитной индукции (силовых линий) между двумя разноименными (а) и одноименными (б) полюсами

В том же десятилетии Георг Ом (1787–1854) установил соотношение между разностью потенциалов на проводнике и проходящим через него током. Таким образом, примерно к 1835 г. были сделаны основные открытия в области электричества и магнетизма, благодаря которым была заложена база развития электротехнической промышленности. Человечество вступило в новую эпоху — эпоху электротехники, электроники и гигантских электростанций.

Якоби в 1838 г. создал первую практическую модель электрической машины, которая могла работать или в режиме

двигателя, или в режиме генератора. Резкий рывок в развитии электрических машин был получен благодаря заслугам русского ученого Доливо-Добровольского, который в 1885 г. изобрел совершенно новый тип машины — трехфазный асинхронный двигатель, который и в настоящее время является массовым двигателем.

КАКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОБОБЩЕНИЯ БЫЛИ СДЕЛАНЫ ТОГДА ИЗ ИМЕВШИХСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ФАКТОВ?

Первым, кто достиг успеха в разработке фундаментальной теории электричества и магнетизма, был Дж. Максвелл (1831–1879).

По его мнению, понятие силовых линий, предложенных Фарадеем в качестве некоторого аналога для описания поведения магнитных полей, могло послужить основой для математической формулировки закона Ампера о взаимодействии магнитного поля с электрическим током. Максвелл обобщил закон Фарадея для индукции токов при изменении магнитных полей, связывающий напряженность электрического поля с электрическими зарядами, а также закон, описывающий обычные магнитные поля, и выразил их в виде математических уравнений.

Из анализа этих уравнений он смог сделать важный вывод: любое возмущение, названное им электромагнитной волной, обязанное существованию электрического и магнитного полей, должно распространяться в пространстве со скоростью 3•10⁸ м/с, т. е. со скоростью света.

Что это, случайное совпадение? Нет, Максвелл не верил в случайность. Он стремился в разных явлениях найти взаимную связь. И он сделал такой вывод: если электромагнитные волны движутся со скоростью света, значит свет — это тоже электромагнитная волна.

Примерно в 1885 г. Г. Герц (1857–1894) наряду с другими исследованиями попытался получить более точные теоретические обоснования уравнений Максвелла. Однако некоторые экспериментальные данные, полученные в то время, не могли быть объяснены. В частности, на протяжении XIX в. продолжались эксперименты по электролизу и предпринимались попытки построения теории для объяснения этих экспериментов. В 1881 г. немецкий ученый Гельмгольц писал: «Если мы примем гипотезу атомной структуры элементов, мы не можем не прийти к выводу о том, что электричество (как положительное, так и отрицательное) также разделяется на элементарные порции или атомы электричества».

Так существуют ли все же атомы электричества?

Изучая ионы различных веществ, ученые никогда не обнаруживали ионов с дробным элементарным зарядом.

Казалось бы, существует элементарный электрический заряд, который уже не делится на более мелкие части, или, другими словами, в природе действительно есть электрические атомы.

С помощью сконструированного прибора удалось доказать, что предполагаемый «электрический атом» несет в себе целое число элементарных зарядов, получивших название электронов. Однако природа электрона была все же не ясна.

В 1838 г. Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Сам катод также светился, а между светящимся катодом и фиолетовым столбом имелось темное пространство.

НЕ ОТСЮДА ЛИ БЕРЕТ НАЧАЛО МНОГОЦВЕТЬЕ ВЕЧЕРНИХ УЛИЦ НАШИХ ГОРОДОВ?