Установление законов электрической цепи
В. В. Петров еще в начале XIX в. указал на связь между поперечным сечением проводника и величиной 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) (рис. 2.9) [5, 9, 12].
Первый этап исследований, начатых Г. С. Омом в 1821 г., когда он работал учителем математики и физики в одной из школ г. Кельна, относился к изучению проводимости различных проводников. Значение тока измерялось по магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам Ш. Кулона, 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.
Затем Ом провел серию экспериментов по исследованию проводимости различных металлов, из которых изготовлялись проводники, исследовал также зависимость угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводника. Он установил, что проволоки из одного и того же материала, различающиеся площадью поперечного сечения, имеют «...одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны поперечным сечениям» (рис. 2.10).
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 ученого 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: изучив теоретические исследования в области теплопроводности и гидравлики, он впервые проводит аналогию между движением электричества и тепловым или водяным потоками и приходит к выводу, что 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» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи). Если цепь питается от батареи, то ток пропорционален ЭДС элемента (в числителе), а в знаменателе кроме сопротивления цепи указывается и внутреннее сопротивление элемента.
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 Хри- стианович Ленц и Борис Семенович Якоби (1801-1874), а также присуждения Г. С. Ому золотой медали Лондонским королевским обществом (1842) его труд по праву занял почетное место в науке. Он явился фундаментом теоретической электротехники и сохранил свое значение до наших дней. На Первом Международном конгрессе электриков единица сопротивления тока была названа «омом».
Кроме исследований в области электрических цепей Ом занимался проблемами акустики, поляризации света, создавал оригинальные демонстрационные приборы. В ответ на просьбы коллег Ом написал очень содержательный и хорошо иллюстрированный учебник по физике, однако второй том своего капитального труда завершить не успел. Ом писал, что работа над учебником принесла ему «много радости». Сохранилось также немало электромагнитных устройств, созданных руками Ома (рис. 2.11).
Выдающиеся открытия в области электричества и магнетизма, связанные с именами А. Ампера, Г. С. Ома, М. Фарадея, Э. Х. 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 задач явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824-1887) (рис. 2.12).
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, ставшие фундаментальными законами теоретической электротехники. Они еще при жизни Г. Р. Кирхгофа вошли во все учебники физики и до сих пор широко применяются электротехни- Рис. 212. Г. Р. Кирхгоф ками 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 экспери- мен-татор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения) [5, 6, 13].
