Открытие термоэлектричества. Установление законов электрической цепи

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 1-2 (рис. 13) была припаяна медная пластинка 3. Внутри образовав­шегося контура помещалась магнитная стрелка SN, При

Рис. 13. Схема опыта Зеебека

подогревании одного из спаев магнит­ная стрелка отклонялась, что указывало на прохождение по контуру электрического тока. 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 1, то в контуре возникнет ток такого же направления, как и в предыдущем слу­чае. 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»).

Фундаментальное исследование направления термоэлектри­ческого тока осуществил 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. Беккерель показал, что термоэлектрический ток может возник­нуть не только при употреблении разнородных металлов, но и при условии различия в структуре или плотности проводника с одной и другой стороны от нагреваемого места.

В течение длительного времени термоэлементы вследствие их крайней неэкономичности, как правило, применялись 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 Ш. А. Пельтье (1785—1845 гг.) было обнаружено более широкое проявление термоэлектрических действий и их обратимость. При прохождении электрического тока через спай двух различных металлов имеет место выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока. В 1838 г. явление Пельтье было изучено в Петербурге академиком Э. X. Ленцем, 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.

В 1821 г. X. Дэви установил, что проводимость проводника Зависит от материала и температуры. Он также пришел к выводу о зависимости проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы немецким физиком Георгом Симоном Омом (1789—1854 гг.). первый этап исследований, начатых Омом в 1821 г., когда он работал преподавателем математики и физики в Кельне, относился к изучению проводимости различных проводников. Сила тока измерялась по его магнитному действию: для этих целей он соорудил прибор, подобный крутильным весам 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, Ом установил постоянство угла кручения нити, что подтверждало постоянство тока на различных участках цепи. Ему удалось определить проводимость проволок из различных материалов и доказать влияние температуры на проводимость проводников.

Во время проведения опытов Ому пришлось преодолеть немало трудностей: электродвижущая сила гальванических элементов заметно снижалась в процессе их эксплуатации; механизм работы источников питания был не известен; общепринятых методов определения электропроводности проводников не существова­ло; в научную практику не были введены величины, характери­зующие процесс протекания тока в цепи, не было приборов для измерении этих величин. Нужно было разработать не только методику проведения экспериментов, но и создать соответству­ющие приборы, обеспечить большую точность измерений. Все это потребовало от Ома незаурядного мастерства, упорства и находчивости. Ему пришлось отказаться от гальванических бата­рей и заменить их термоэлементом, изготовить несколько конструкций мультипликаторов.

На основе многочисленных экспериментов Ому удается выве­сти формулу, связывающую «силу магнитного действия проводни­ка» с электровозбуждающей силой источника и сопротивлением цепи - это уже был закон электрической цепи. Продолжая совершенствовать измерительную установку, 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.

Закон, носящий его имя, Ом сфор­мулировал следующим образом «Величина тока в гальванической цепи пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин» (под «приведенными длинами» подразумевается сопротивление внешней части цепи).

Ом доказал справедливость его формулы при оценке силы тока как по магнитному, так и по химическому действиям. Несколь­ко лет закон 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 Ома такими известными электротехниками, как петербургские академики Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, а также присуждения Ому Золотой медали Лондонским Королевским обществом (1842 г.), его труд по праву получил всеобщее признание. 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 Ампера, Ома, Фарадея, 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 решениеэтих проблем явились труды профессора Берлинского университета Густава Роберта Кирхгофа (1824—1887 гг.). В 1845 г., когда Кирхгофу было всего 21 год, он написал работу «О протекании электрического тока через плоскую пластину» на пример, круглой формы», В примечании к этой работе были Сформулированы два закона Кирхгофа, являющиеся фундаментальными законами теоретической электротехники, которые еще при жизни Кирхгофа вошли во все учебники физики и широко применяются электротехниками всего мира. В последующих тру­дах Кирхгофа были рассмотрены электрические токи в проводя­щих средах, исследованы количественные соотношения, Связанные с явлением электромагнитной индукции и изучением переходных процессов. Кирхгоф проявил себя и как блестящий исследователь и экспериментатор в различных областях физики (механики, оптики, теории излучения). Его философские воззре­ния базировались на материалистической основе. Г. Р. Кирхгоф был членом Берлинской Академии и членом-корреспондентом Пе­тербургской Академии наук (с 1862 г.).

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ