Бенджамин Франклин получает все заслуги в открытии электричества, но все, что он сделал, это установил связь между молнией и электричеством. Шарль Франсуа Дюфе, Луиджи Гальвани, Алессандро Вольта, Майкл Фарадей, Томас Алва Эдисон и Никола Тесла внесли значительный вклад в развитие и коммерциализацию электричества.
Электричество повсюду вокруг нас: светильники, вентиляторы, компьютеры, мобильные телефоны и бесчисленное множество других устройств. В современном мире от этого практически невозможно убежать. Даже пытаясь убежать от электричества, вы найдете его по всей природе, от синапсов внутри человеческого тела до молнии во время грозы.
Но знаете ли вы, кто открыл электричество? Вообще-то, это довольно сложный вопрос. Большинство людей отдают должное только одному человеку (Бенджамину Франклину), что вроде как несправедливо.
Многие другие ученые использовали эксперименты Франклина для изучения электричества, и некоторые из них смогли изобрести различные формы электричества. Давайте копнем глубже и выясним, кто были эти ученые и каков их вклад.
Электричество 2600 лет назад
Один из инструментов, обнаруженных в археологических раскопках близ Багдада, напоминает электрохимическую ячейку
Примерно в 600 году до нашей эры греческий математик Фалес Милетский обнаружил, что трение меха о Янтарь вызывает притяжение между ними. Более поздние наблюдения доказали, что это притяжение было вызвано дисбалансом электрических зарядов, который называется статическим электричеством.
Археологи также обнаружили доказательства того, что древние люди могли экспериментировать с электричеством. В 1936 году они нашли глиняный горшок с железным прутом и медной пластиной. Он похож на электрохимический (гальванический) элемент.
Неясно, для чего использовался этот инструмент, но он пролил некоторый свет на тот факт, что древние люди, возможно, изучали ранние формы батарей задолго до того, как мы это знаем.
Томас Браун использовал слово «электричество» в 1646 году
Версориум Гилберта
В 1600 году английский физик Уильям Гилберт написал книгу под названием De Magnete, в которой он объяснил, как статическое электричество генерируется трением янтаря. Однако он не понимал, что электрический заряд универсален для всех материалов.
Поскольку Гилберт изучал статическое электричество с помощью янтаря, а янтарь по-гречески называют «Электрум», он решил назвать его действие электрической силой. Он также изобрел электроскоп (известный как «versorium» Гилберта) для обнаружения присутствия электрического заряда на теле.
Работа Гилберта дала начало английскому слову «electricity», которое впервые появилось во втором выпуске научного журнала Pseudodoxia Epidemica , написанного сэром Томасом Брауном в 1946 году.
Шарль Франсуа Дюфе открыл типы электрических зарядов
Дальнейшие исследования проводились многими учеными. Отто фон Герике, например, изобрел примитивную форму фрикционной электрической машины в 1663 году. Стивен Грей различал проводимость и изоляцию и открыл явление, называемое электростатической индукцией, в 1729 году.
Один из основных вкладов начала 17 века сделал французский химик Шарль Франсуа Дюфе. Он открыл два типа электричества: стекловидное и смолистое (которое в настоящее время известно как положительный и отрицательный заряд соответственно).
Он также обнаружил, что объекты с одинаковым зарядом притягиваются друг к другу, а объекты с противоположным зарядом отталкиваются. Он также прояснил некоторые популярные заблуждения того времени, например, что электрические свойства объекта зависят от его цвета.
Бенджамин Франклин доказал, что молния имеет электрическую природу
В середине XVIII века Бенджамин Франклин широко изучал и проводил многочисленные эксперименты, чтобы понять электричество. В 1748 году он построил электрическую батарею, поместив несколько стеклянных листов, зажатых между свинцовыми пластинами. Он также открыл принцип сохранения заряда.
В июне 1752 года Франклин провел знаменитый эксперимент, чтобы доказать, что молния — это электричество. Он прикрепил металлический ключ к нижней части смоченной веревки воздушного змея и запустил змея во время грозы. Он был осторожен, стоя на изоляторе, чтобы избежать удара током.
Как он и ожидал, змей собрал немного электрического заряда из грозовых облаков, который затем потек по веревке, сотрясая его. Этот эксперимент доказал, что молния действительно была электрической по своей природе.
Луиджи Гальвани открыл биоэлектромагнетизм в 1780-х годах
Итальянский физик и биолог был пионером биоэлектромагнетизма. В 1780 году он провел несколько экспериментов на лягушках и обнаружил, что электричество является средой, через которую нейроны передают сигналы мышцам.
Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею в 1800 году
Другой итальянский физик по имени Алессандро Вольта обнаружил, что некоторые химические реакции могут производить постоянный электрический ток. Он построил электрическую батарею, для производства непрерывного потока электрического заряда. Она была сделана из чередующихся слоев меди и цинка.
Вольта также различал электрический потенциал (V) и заряд (Q), описывая, что они пропорциональны для данного объекта. Это то, что мы называем законом емкости Вольта. За эту работу единица измерения электрического потенциала SI (вольт) была названа в его честь.
Исследования, проведенные Вольтом, привлекли большое внимание и побудили других ученых провести аналогичные исследования, что в конечном итоге привело к развитию нового раздела физической химии, называемого электрохимией.
Немецкий физик Георг Симон Ом дополнительно изучил электрохимическую ячейку Вольта и обнаружил, что электрический ток прямо пропорционален напряжению (разности потенциалов), приложенному к проводнику. Эта связь называется законом Ома.
Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электричество создает магнитные поля
Ханс Кристиан Эрстед
В начале 19 века датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил прямую связь между электричеством и магнетизмом. В 1820 году он опубликовал свои открытия, описывая, как стрелка компаса может отклоняться под действием электрического тока.
Работы Эрстеда вдохновили французского физика Андре-Мари Ампера на разработку физико-математической теории, которая могла бы лучше объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Он сформировал математическую формулу для представления магнитных сил между объектами, несущими ток. Для этой работы в его честь была названа единица измерения электрического тока (ампер).
В 1820-х годах Ампер изобрел многочисленные приборы, в том числе электромагнит (электромагнит, создающий управляемое магнитное поле) и электрический телеграф (система обмена текстовыми сообщениями «точка-точка»).
Майкл Фарадей сделал электричество практичным для использования в технологиях
Майкл Фарадей, около 70 лет
Майкл Фарадей заложил основы концепции электромагнитного поля. Он обнаружил, что на световые лучи может влиять магнетизм. Он изобрел электромагнитные вращательные устройства, которые легли в основу технологии электродвигателей.
В 1831 году Фарадей разработал электрическую динамомашину-машину, которая могла непрерывно преобразовывать вращательную механическую энергию в электрическую, что сделало возможным производство электричества.
В 1832 году Фарадей провел серию экспериментов по исследованию поведения электричества. Он пришел к выводу, что категоризация различных «типов» электричества была иллюзорной. Вместо этого он предложил, что существует только один «тип» электричества, и изменение таких параметров, как ток и напряжение (количество и интенсивность), приведет к созданию различных групп явлений.
Джеймс Клерк Максвелл сформулировал теорию электромагнитного излучения
В 1873 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл начал разрабатывать уравнения, которые могли бы точно описать электромагнитное поле. Он предположил, что электрические и магнитные поля движутся как волны со скоростью света.
Генрих Рудольф Герц окончательно доказал эту теорию, и Гульельмо Маркони использовал эти волны для разработки радио.
Томас Эдисон коммерциализировал электричество
В 1879 году Томас Альва Эдисон изобрел практичную лампочку, которая прослужит долго, прежде чем перегореть. Его следующей задачей была разработка электрической системы, которая могла бы обеспечить людей реальным источником энергии для питания этих ламп.
В 1882 году он построил первую электростанцию в Лондоне, чтобы вырабатывать электроэнергию и переносить ее в дома людей. Несколько месяцев спустя он создал еще одну электростанцию в Нью-Йорке для обеспечения электрическим освещением нижней части острова Манхэттен. Около 85 потребителей получили достаточно энергии, чтобы зажечь 5000 ламп.
На заводе использовались возвратно-поступательные паровые двигатели для включения генераторов постоянного тока. Но так как это было распределение постоянного тока, зона обслуживания была ограничена падением напряжения в фидерах.
Никола Тесла изобрел переменный ток
Поворотный момент в электрической эре наступил через несколько лет, когда Никола Тесла приехал в Нью-Йорк, чтобы работать на Эдисона. Он покинул Edison Machine Works через шесть месяцев из-за невыплаченных бонусов, которые, по его мнению, он заработал.
Вскоре после ухода из компании Тесла обнаружил новый тип двигателя переменного тока и технологию передачи электроэнергии. Он объединился с Джорджем Вестингаузом, чтобы запатентовать систему переменного тока, чтобы обеспечить страну электроэнергией высочайшего качества.
Энергетическая система, изобретенная Теслой, быстро распространилась в США и Европе благодаря своим преимуществам в дальней высоковольтной передаче.
Первая гидроэлектростанция Теслы в Ниагарском водопаде могла транспортировать электроэнергию более чем на 200 квадратных миль.
В отличие от этого, эдисоновская электростанция постоянного тока могла транспортировать электричество только в пределах одной мили.
Сегодня переменный ток вырабатывается большинством электростанций и используется почти всеми системами распределения электроэнергии. Общее мировое валовое производство электроэнергии в 2019 году составило 27 644 ТВтч.
Генрих Рудольф Герц наблюдал фотоэлектрический эффект в 1887 году
Генрих Рудольф Герц
Пока Тесла был занят изобретением и распределением переменного тока, Генрих Герц проводил серию экспериментов по пониманию электромагнитных волн. В 1887 году он наблюдал фотоэлектрический эффект, явление, при котором электроны испускаются, когда электромагнитное излучение (например, свет) попадает на материал.
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал «закон фотоэлектрических эффектов», выдвинув гипотезу о том, что световая энергия переносится дискретными квантованными пакетами. Это был решающий шаг в развитии квантовой механики. За эту работу Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года.
Фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах, обычно встречающихся в солнечных батареях. Эти фотоэлементы вырабатывают напряжение и подают электрический ток, когда на них светит солнечный свет (или свет с определенной длиной волны).
К концу 2019 года во всем мире было установлено в общей сложности 629 гигаватт солнечной энергии. Это число будет увеличиваться в ближайшие годы, поскольку многие страны и территории переходят на возобновляемые источники энергии, чтобы уменьшить воздействие производства электроэнергии на окружающую среду.
И поэтому было бы неправильно отдать должное только одному человеку за то, что он открыл для себя электричество. В то время как идея электричества существовала тысячи лет, когда пришло время ее научного и коммерческого изучения, несколько великих умов работали над различными подмножествами этой проблемы.
200 лет электродвигателю
Электромотор Фарадея 1822 года
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед ввел электромагнитную теорию в состояние замешательства.
Натурфилософы того времени считали, что электричество и магнетизм — это два разных явления, но Эрстед предположил, что поток электричества через провод создает вокруг него магнитное поле.
Французский физик Андре-Мари Ампер увидел демонстрацию эксперимента Эрстеда, в котором электрический ток отклонял магнитную иглу, и разработал математическую теорию для объяснения этой взаимосвязи.
Английский ученый Майкл Фарадей вскоре вступил в полемику, когда Ричард Филлипс, редактор журнала «Анналы философии», попросил его написать статью об истории электромагнетизма — области, которой было всего около двух лет и которая явно находилась в состоянии становления.
Фарадей был интересным кандидатом для этой задачи, о чем Нэнси Форбс и Бэзил Махон рассказывают в своей книге 2014 года «Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле». Он родился в 1791 году и получил лишь самое скромное образование в церковной школе в своей деревне Ньюингтон, Суррей (сейчас это часть Южного Лондона). В возрасте 14 лет он стал подмастерьем у переплетчика. Он прочитал много книг, которые переплетал, и продолжал искать возможности учиться дальше. В 1812 году, когда ученичество Фарадея подходило к концу, один из клиентов переплетчика предложил Фарадею билет на прощальную лекцию Хамфри Дэви в Королевском институте Великобритании.
Дэви, который был всего на 13 лет старше Фарадея, уже прославился как химик. Он открыл натрий, калий и несколько соединений, а также изобрел шахтерскую лампу. Кроме того, он был харизматичным оратором. Фарадей делал подробные записи лекций и отправлял копии Дэви с просьбой о трудоустройстве. Когда в Королевском институте открылась вакансия ассистента по химии, Дэви взял Фарадея на работу.
Фарадей (слева), Дэви (справа).
Дэви был наставником Фарадея и обучил его принципам химии. Фарадей отличался ненасытным любопытством, и его репутация в Королевском институте росла. Но когда Филлипс попросил Фарадея написать обзорную статью для «Анналов», он только начинал заниматься электромагнетизмом и был несколько обескуражен математикой Ампера.
В душе Фарадей был экспериментатором, поэтому, чтобы написать подробный отчет, он повторил эксперименты Эрстеда и попытался следовать рассуждениям Ампера. Его «Исторический очерк электромагнетизма», опубликованный анонимно в «Анналах», описывал состояние этой области, текущие исследовательские вопросы и экспериментальную аппаратуру, теоретические разработки и основных участников.
(Краткое изложение статьи Фарадея см. в статье Aaron D. Cobb «Michael Faraday's 'Historical Sketch of Electro-Magnetism' and the Theory-Dependence of Experimentation» в декабрьском выпуске Philosophy of Science за 2009 год («Исторический очерк электромагнетизма Майкла Фарадея» и зависимость экспериментов от теории « в декабрьском выпуске 2009 года Философия науки).
Реконструируя эксперименты Эрстеда, Фарадей не был полностью убежден, что электричество действует как жидкость, протекая по проводам так же, как вода по трубам. Вместо этого он думал об электричестве как о колебаниях, возникающих в результате напряжения между проводящими материалами. Эти мысли заставляли его экспериментировать.
3 сентября 1821 года Фарадей наблюдал круговое вращение провода, притягиваемого и отталкиваемого магнитными полюсами. Он зарисовал в своем блокноте вращение по часовой стрелке вокруг южного полюса магнита и обратное вращение вокруг северного полюса. «Очень убедительно», — написал он в своем дневнике о проведенном эксперименте, — «но надо сделать более разумный прибор».
На следующий день у него все получилось. Он взял глубокий стеклянный сосуд, закрепил в нем магнит вертикально с помощью воска, а затем наполнил сосуд ртутью так, чтобы магнитный полюс находился чуть выше поверхности. Он опустил в ртуть жесткую проволоку и подключил прибор к батарее. Когда по цепи проходил ток, он создавал круговое магнитное поле вокруг проволоки. Когда ток в проволоке взаимодействовал с постоянным магнитом, закрепленным на дне блюда, проволока вращалась по часовой стрелке. На другой стороне прибора провод был закреплен, а магнит мог свободно перемещаться, что он и делал по кругу вокруг провода. 
Чтобы ознакомиться с наглядной анимацией работы аппарата Фарадея, посмотрите это учебное пособие, созданное Национальной лабораторией высоких магнитных полей. А для желающих собрать свой собственный двигатель Фарадея можно посмотреть это видео:
Хотя устройство Фарадея было отличным доказательством концепции, оно было не так уж полезно, разве что в качестве салонного фокуса. Вскоре люди стали расхватывать карманные двигатели в качестве подарков.
Хотя оригинального моторчика Фарадея больше не существует, зато существует тот, который он построил в следующем году; он хранится в коллекции Королевского института и изображен на фото в начале публикации. Эта простая на вид конструкция является самым ранним примером электродвигателя, первого устройства, превращающего электрическую энергию в механическое движение.
Последствия изобретения Фарадея
Фарадей знал силу быстрой публикации, и менее чем за месяц он написал статью «О некоторых новых электромагнитных движениях и теории электромагнетизма», которая была опубликована в следующем номере «Ежеквартального журнала науки, литературы и искусства». К сожалению, Фарадей не оценил необходимость полного признания вклада других в открытие.
Через неделю после публикации Хамфри Дэви нанес своему подопечному сокрушительный удар, обвинив Фарадея в плагиате.
Дэви обладал печально известным чувствительным эго. Он также был расстроен тем, что Фарадей не отметил должным образом его друга Уильяма Хайда Волластона, который более года изучал проблему вращательного движения с помощью токов и магнитов.
Фарадей упоминает обоих в своей статье, а также Ампера, Эрстеда и некоторых других. Но он не называет никого из них своим соавтором, помощником или сооткрывателем. Фарадей не работал непосредственно с Дэви и Волластоном над их экспериментами, но он подслушал разговор между ними и понял направление их работы.
Кроме того, в ранних публикациях было принято (и до сих пор принято) отмечать заслуги своего консультанта.
Фарадей пытался очистить свое имя от обвинений в плагиате и в основном преуспел в этом, хотя его отношения с Дэви оставались напряженными. Когда Фарадей был избран членом Королевского общества в 1824 году, единственный голос против подал президент общества, Хамфри Дэви. Следующие несколько лет Фарадей избегал работы в области электромагнетизма. Было ли это его собственным выбором или он был вынужден сделать его из-за того, что Дэви поручил ему трудоемкие обязанности в Королевском институте, вопрос открытый. Одним из заданий Фарадея было спасение финансов Королевского института, что он и сделал, оживив серию лекций и введя популярную рождественскую лекцию. Затем в 1825 году Королевское общество попросило его возглавить Комитет по улучшению стекла для оптических целей — попытку возродить британскую стекольную промышленность, которая уступила позиции французским и немецким производителям линз. Это была утомительная, бюрократическая работа, которую Фарадей выполнял как патриотический долг, но рутина и постоянные неудачи выбили его из колеи.
Эксперименты Фарадея в 1831 году привели к созданию трансформатора и динамо-машины
В 1831 году, через два года после смерти Дэви и после завершения работы Фарадея в рабочей группе над стекольным проектом, он вернулся к экспериментам с электричеством, занявшись акустикой. Он объединился с Чарльзом Уитстоном для изучения звуковых колебаний.
Фарадея особенно интересовало, как звуковые колебания можно наблюдать, когда скрипичный смычок проводит по металлической пластине, слегка присыпанной песком, создавая отчетливые узоры, известные как фигуры Хладни.
В этом видеоролике:
Фарадей изучал нелинейные стоячие волны, образующиеся на поверхности жидкости, которые сегодня известны как волны Фарадея или пульсации Фарадея.
Он опубликовал свое исследование «О своеобразном классе акустических фигур; и о некоторых формах, принимаемых группами частиц на вибрирующих упругих поверхностях» в «Философских трудах Королевского общества».
Все еще убежденный в том, что электричество каким-то образом вибрирует, Фарадей задался вопросом, может ли электрический ток, проходящий через проводник, вызвать ток в соседнем проводнике. Это привело его к одному из самых известных изобретений и экспериментов — индукционному кольцу.
29 августа 1831 года Фарадей подробно описал в своем блокноте эксперимент со специально подготовленным железным кольцом. Он обмотал одну сторону кольца тремя отрезками изолированной медной проволоки, каждый длиной около 24 футов (7 метров). Другую сторону он обмотал примерно 60 футами (18 метрами) изолированной медной проволоки.
(Хотя он описывает только собранное кольцо, на обмотку проводов у него, вероятно, ушло много дней. Современные экспериментаторы, создавшие реплику, потратили на это 10 дней). Затем он начал заряжать одну сторону кольца и наблюдать за эффектом на магнитной игле, расположенной на небольшом расстоянии.
К своему восторгу, он смог вызвать электрический ток от одного набора проводов к другому, создав таким образом первый электрический трансформатор.
Запись в записной книжке Фарадея от 29 августа 1831 года описывает его эксперимент с железным индукционным кольцом, связанным проволокой, -первым электрическим трансформатором.
Фарадей не прекращал эксперименты до осени 1831 года, на этот раз с постоянным магнитом. Он обнаружил, что может производить постоянный ток, вращая медный диск между двумя полюсами постоянного магнита. Это было первое динамо и прямой предок действительно полезных электродвигателей. Спустя двести лет после открытия электродвигателя Майкла Фарадея по праву помнят за все его работы в области электромагнетизма, а также за его способности химика, лектора и экспериментатора. Но сложные отношения Фарадея с Дэви также говорят о проблемах учеников (и наставников), издательской деятельности, а также о том, как держать (или не держать) личные обиды. Иногда говорят, что Фарадей стал величайшим открытием Дэви, что несколько несправедливо по отношению к Дэви, который сам по себе был достойным ученым. Когда репутация Фарадея начала затмевать репутацию его наставника, Фарадей допустил несколько ошибок, ориентируясь в урезанном, чувствительном ко времени мире научных публикаций. Но он продолжал делать свою работу — и делал ее хорошо, — внося неизменный вклад в работу Королевского института. Через десять лет после своего первого открытия в области электромагнетизма он превзошел себя в другом. Неплохо для самоучки с слабым знанием математики. 
Вакансии НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений. У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку. В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование. Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку. О компании ИТЭЛМА Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров. Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.
У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
От силовых линий Фарадея до поля Максвелла
Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования.
Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного британского физика и химика Г.?Дэви.
Начав работать его ассистентом в лаборатории Британского королевского института, через 12 лет — в 1825 году — Фарадей стал ее директором. Самоучку продвинули успехи его экспериментальных исследований.
Электромагнитные открытия 1820 года сразу привлекли внимание Фарадея, и уже в следующем году он написал исторический обзор электромагнетизма, повторив все важнейшие опыты. А попутно придумал, как сделать, чтобы провод с током вращался вокруг магнита.
Его главное открытие не было случайным: с 1824 года он пытался получить электрический ток в проводе при помощи магнита или тока в другом проводе. В 1831 году (год рождения Максвелла) 40-летний экспериментатор обнаружил, что движение магнита порождает ток в проводнике. Он не просто в своих опытах обнаружил новое явление, но и открыл закон этого явления — закон электромагнитной индукции.
Помог ему недостаток знаний математики и тогдашней теории электричества и магнетизма, держащей себя в рамках дальнодействия. Для формулировки закона Фарадей придумал свой собственный язык, где главным стало понятие «силовых линий». Эти линии он видел своими глазами.
И каждый может увидеть, если насыплет железные опилки на лист картона, а снизу поднесет магнит. Линии, вдоль которых опилки выстраиваются и которые Фарадей назвал силовыми, показывают направление магнитной силы, а густота линий — величину этой силы.
После трехмесячных исследований он пришел к выводу, что в замкнутом проводнике ток пропорционален изменению числа силовых линий, проходящих через контур проводника в единицу времени.
Опыт Фарадея немедленно повторили физики разных стран и убедились, что он действительно открыл новое явление. Но его самодельный язык не приняли и стали искать «более научный».
По словам Максвелла, полвека спустя, «теоретики, забраковав фарадеевский язык, так и не придумали никакой иной, чтобы описать явление, не вводя гипотезы о вещах несуществующих, как, например, токи, которые вытекают из ничего, затем текут по проводу и утекают опять в ничто».
В таком состоянии была наука об электромагнетизме, когда за нее взялся 24-летний Максвелл. В самодельных понятиях Фарадея он увидел больше, чем в изощренных математических построениях континентальных теоретиков:
Введенные Фарадеем понятия «силовое поле», «силовые линии», «индукция» выражают его подход к науке: тщательное наблюдение избранных явлений, исследование полученных представлений и, наконец, изобретение понятий, приспособленных для обсуждения этих явлений.
Огромная роль Фарадея в науке об электромагнетизме может вызвать сомнение, поскольку эта наука приняла математическую форму еще до Фарадея, который вовсе не был математиком. В его описаниях не найти дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся сутью точной науки.
В трудах Пуассона и Ампера, вышедших до Фарадея, или Вебера и Неймана — после него, каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых Фарадей не понял бы.
Максвелл, однако, прекрасно понимал, что все эти формулы лишь развивали методы Ньютона и вовсе не исчерпывали возможности математического языка, на котором написана Книга Природы:
То, как Фарадей с помощью своей идеи силовых линий описал явление электромагнитной индукции, доказывает, что он был мощным теоретиком, у которого можно черпать плодотворные методы.
Первая работа Максвелла по электромагнетизму «О силовых линиях Фарадея» начинается так: «Нынешнее состояние науки об электричестве кажется особенно неблагоприятным для теории».
Действительно, законы некоторых электрических и магнитных явлений, выведенные из экспериментов, были выражены математически, но не связаны между собой, хотя в поведении зарядов, токов и магнитов взаимосвязь проявлялась.
Чтобы овладеть этой наукой, — пишет Максвелл, — надо узнать такой объем сложнейшей математики, что простое удержание его в памяти существенно мешает продвижению. Первым делом поэтому надо упростить результаты предыдущих исследований и свести их к форме, которую можно охватить.
Максвелл, очевидно, верил в выполнимость этой задачи, но одной лишь веры для успеха мало. Почему путеводную идею Максвелл усмотрел в подходе Фарадея, логически не объяснить: подобный выбор пути обычно делает интуиция. Можно лишь указать факторы, которые помогали Максвеллу.
Прежде всего он слишком хорошо понимал Ньютонову физику и область ее применимости, чтобы надеяться на ее всемогущество. Ему были понятны слова Ньютона, который казался себе «ребенком, нашедшим пару камешков покрасивее на берегу океана нераскрытых истин». Перед Максвеллом была одна из таких нераскрытых истин — электромагнетизм.
Фарадеевское понятие силовой линии не только позволило описать явление электромагнитной индукции — оно указывало на новый характер взаимодействия. Силовые линии, увиденные Фарадеем с помощью железных опилок, не зависели от размера опилок.
Мысленно уменьшая этот размер до нуля, получим свойство в данной точке пространства в данный момент времени.
Но свойство чего? Исчезающие опилки напоминают улыбку Чеширского кота, который — по воле Льюиса Кэрролла — таял в воздухе, оставляя лишь свою улыбку.
Десять лет спустя Максвелл, как и нынешние физики, сказал бы: «Свойство электромагнитного поля». Десять лет ему понадобились, чтобы выработать точный — научный — смысл этого понятия, использованного в заглавии его работы 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля».
О «магнитном поле» говорил еще Фарадей, но у него «поле» — слово обыденного, ненаучного, языка, синоним понятий «область», «сфера» (чего-либо).
Выражение Фарадея означало просто «область пространства, где действуют магнитные силы». Так в русском языке говорят о «поле зрения» и «поле действия».
В английском — «поле» применяется еще шире, скажем, «область физики» переводится с участием слова «field» — «поле».
Максвелл также начинал с обыденного смысла этого слова. Он искал закон взаимосвязи электрических и магнитных свойств в каждой точке «поля действия электромагнетизма» — искал закон, переходящий в частных случаях в известные законы Кулона, Ампера, Фарадея. Максвелл не знал, что не хватает еще одного закона, который ему предстоит открыть.
Свойств в каждой точке четыре: электрическая и магнитная силы, заряд и ток. Столько же должно было быть и взаимосвязей, или, на математическом языке, уравнений. Тот, кто видел четыре лаконичных уравнения Максвелла в нынешних учебниках:
очень удивится, заглянув в статьи Максвелла 1855, 1861 и 1865 годов, в которых тот прошел путь к своим уравнениям. В каждой статье более полусотни страниц. И удивительное различие материала.
В первой статье механизм поведения силовых линий представлен движением невесомой и несжимаемой жидкости. Во второй — появляются в огромном количестве некие «молекулярные вихри» и две «эфирные среды», в которых происходят электромагнитные и световые явления.
В третьей статье уже никаких вихрей, два эфира совпадают, а свет назван электромагнитным явлением.
Непоследовательность? Максвелл объяснил свой метод исследования в самом начале поиска — в статье 1855 года.
Выбрав отправной точкой идеи Фарадея, Максвелл сравнил два метода — «чисто математическое формулирование или физическая гипотеза»: в первом случае теряется физическая природа явления, во втором явление рассматривается через узкий окуляр избранной гипотезы.
И Максвелл избрал третий путь — «офизичить» математическое описание с помощью подходящих физических аналогий, делая математический язык более наглядным, но не привязывая себя к этим аналогиям намертво и сохраняя свободу в поиске адекватного описания.
Речь шла об иллюстрациях, помогающих воображению без претензий на раскрытие сути явления. Такой метод позволял переходить с одного уровня описания на другой без необходимости объяснять все причины перехода. Ведь кроме объективно-уважительных причин действуют субъективно-интуитивные, которые и самому исследователю не всегда понятны.
По словам Эйнштейна, понятия так же нельзя вывести из опыта чисто логически, как «невозможно построить дом без использования лесов, которые сами вовсе не являются частями здания».
Такими лесами у Максвелла были потоки несжимаемой жидкости, силовые линии, молекулярные вихри, две эфирные среды. Построив здание теории электромагнитного поля, или электродинамики, леса он удалил. Почти все. Осталась единая эфирная среда, еще несколько десятилетий помогая воображению физиков, хоть в уравнениях Максвелла никакие ее свойства не участвовали.
Эфир можно сравнить с ненаблюдаемым Чеширским котом, у которого кроме видимой улыбки есть еще и слышимый голос. Наблюдатель может искать взаимосвязь между шириной улыбки и характером звуков — от нежного «муррр» до недовольного шипения. Такая взаимосвязь не нуждалась бы в наличии самого кота, хотя в поиске закономерности пушистый образ мог бы и пригодиться.
Подобные сравнения строгий читатель сочтет неуместными, поскольку речь идет об одном из величайших достижений в истории физики.
Не до шуток, вероятно, и тому читателю, кто настороженно ждет, не связано ли это достижение с чем-нибудь библейским. Спешу успокоить: никаких свидетельств такого рода Максвелл не оставил.
И предлагаю читателям самим решить, можно ли подобным свидетельством посчитать отношение к уравнениям Максвелла его младшего современника и сподвижника в статистической физике Больцмана, который свои чувства по поводу уравнений Максвелла выражал строками «Фауста»:
- Не Бог ли эти знаки начертал?
- Таинственен их скрытый дар!
- Они природы силы раскрывают
- И сердце нам блаженством наполняют.
- Атеист Больцман, похоже, мог поблагодарить Всевышнего за помощь Максвеллу в изобретении понятия поля и в открытии с помощью этого понятия системы законов электромагнетизма.
- Не менее сильные чувства испытывали фундаментальные физики следующего поколения.
- Макс Планк причислил успех Максвелла к «величайшим триумфам человеческого стремления к познанию», к «наиболее удивительным свершениям человеческого духа» и к проявлениям того, «что между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи».
- Эйнштейн подытожил проще, но не менее сильно: «Одна научная эпоха закончилась и другая началась».
В эпоху Максвелла и при его прямом участии произошло объединение физики, до того состоявшей из весьма автономных частей: механика, теплота и оптика. Статистическое объяснение теплоты объединило ее с механикой, а оптика оказалась проявлением электромагнитных сил.
Но подлинно эпохальную роль Максвелл сыграл в том, что фундамент физики был впервые капитально перестроен.
Величественное здание, заложенное Галилеем и возведенное Ньютоном, вместило новую физику молекулярно-тепловых явлений, но оказалось тесным, чтобы вместить — без перестройки — физику электромагнетизма.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Ученые сделавшие открытия в области электричества
Если бы мы спросили, кто открыл электричество, то получили бы разные ответы из разных стран. То же самое произойдет, если мы спросим, кто создал двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, телеграф, телефон, радио, телевизор или компьютер.
Это неудивительно, поскольку в ряде случаев приоритет изобретений, возникших почти одновременно в разных местах, был предметом долгих и сложных научных изысканий, а окончательные применения часто вызывали критику среди специалистов.
Вряд ли янтарь, натёртый комком шерсти и описанный древнегреческим математиком и философом Фалес Милетским в VII веке до н. э признается периодом открытия электричества. Только с 17 века происходит ряд открытий в области магнетизма и электричества.
Открытие электричества эволюционировало в течение длительного периода, что позволило выявить различные этапы.
Ученые занимавшиеся изучением электричества обеспечили то применение, нынешнюю структуру и эксплуатационные характеристики обусловленные электрическими зарядами сейчас.
Майкл Фарадей — основоположник закона индукции и электротехники
Ученый занимавшиеся изучением электричества — великий английский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867). Его заслуга в изучении взаимной магнитной индукции между двумя связанными контурами как основа при производстве электричества огромна. Считают «отцом» электротехники.
Будучи сыном кузнеца, он был самоучкой, благодаря книгам по химии и электричеству, которые он читал во время своего ученичества в переплетной мастерской—работу, которую он начал в возрасте 14 лет. Когда он был еще подростком, у него была возможность посещать лекции великого химика Хамфри Дэви в Королевском институте.
В возрасте 21 года Дэви нанял его помощником в Королевский институт, где Фарадей оставался в течение следующих 50 лет, будучи назначен заведующим его лабораторией в 1821 году.
Хотя отсутствие формального образования оставляло ему математические пробелы, они были в значительной степени компенсированы поразительной экспериментальной интуицией, которая позволила ему стать одним из самых влиятельных экспериментальных исследователей всех времен.
В 1821 году Фарадей начал исследовать взаимодействие между магнитами и токами. Он разработал концепцию силовой линии (термин, который он ввел) для обоснования фигур, образованных железными опилками вблизи магнита.
Используя эту концепцию, в августе 1831 года он открыл взаимную магнитную индукцию, отметив переходный ток, индуцируемый в катушке, когда ток включался и выключался во второй катушке.
Обе катушки были намотаны на один и тот же тороидальный железный сердечник.
В октябре 1831 года Фарадей наблюдал самоиндукцию, возникающую в результате тока, индуцируемого в соленоидальной катушке движением магнита внутри ее отверстия.
Фарадей ввел термин электродвижущая сила для такого эффекта, и мы все еще видим это в использовании сегодня.
В 1831 году Фарадей также создал представление электромеханического генератора. Он ввел понятие диэлектрической проницаемости и построил первый переменный конденсатор в 1837 году. Он также изучал оптику и поляризацию света вместе со своим другом Чарльзом Уитстоуном, открыв в 1845 году эффект Фарадея (вращение поляризованного света при прохождении через намагниченную область).
Между 1846 и 1855 годами Фарадей признал магнитные свойства материи и ввел понятие диамагнетизма. Развивая идею силовых линий, он ввел понятия электрического и магнитного полей.
Не менее важными были открытия Фарадея в области химии, где он написал несколько прорывных работ. Он собрал свою колоссальную научную продукцию главным образом в экспериментальных исследованиях, опубликованных в нескольких номерах между 1839 и 1855 годами.
Он выступал с памятными лекциями в Королевском институте, был назначен членом Королевского общества в 1824 году и дважды получил медаль Копли, в 1832 и 1838 годах, но отказался от дворянского титула и президентства Королевского института (1864) и не хотел регистрировать никаких патентов.
Ганс Кристиан Эрстед изучал магнитное действие электричества
Другой ученый занимавшийся изучением электричества был датский физик и химик Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851). В 1820 году он объединил открытие магнитных эффектов электрических токов и завершил эпистемологическую основу квазистационарного электромагнетизма.
Таким образом, благодаря этим людям посвятившим себя науке была наконец найдена ключевая и скрытная особенность: для получения электрических эффектов необходимы переменные магнитные поля.
Джеймс Клерк Максвелл математически описал основные законы электричества и магнетизма
Математическая формулировка электромагнитной индукции была разработана немецким физиком и математиком Францем Эрнстом Нейманом (1798-1895) в 1945 году.
Эти открытия проложили путь к фундаментальной теоретической композиции, выполненной Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879), начиная с “силовых линий Фарадея».
Однако работа Максвелла изначально вызывала недоверие у большинства физиков и игнорировалась инженерами.
Только к концу XIX века, после памятного эксперимента с электромагнитными волнами, проведенного Генрихом Герцем в 1887 году, теория Максвелла стала общепринятой и позволила обратиться как к физике, так и к технике.
Николас Джозеф Каллан изобрел индукционную катушку
Ученые занимавшиеся изучением электричества подхватили идею ирландского священника Николас Джозеф Каллан (1799-1864) по изменению взаимно связанной индукции.
После посвящения в сан Каллан изучал физику в Римском университете, который окончил в 1826 году. По возвращении в Ирландию он был назначен профессором естественной философии (которую мы теперь называем физикой) в Колледже Святого Патрика в Мейнуте, недалеко от Дублина, где он основал свою лабораторию.
В 1836 году Каллан построил первое устройство, способное эффективно эксплуатировать взаимную связь электричества. Его устройство состояло из двух катушек: с малым числом витков и большим из хорошо изолированных проводов, намотанных на железный сердечник.
Резкое прекращение тока первой катушки вызывало высокое напряжение во второй (возможно, до нескольких десятков киловольт).
В 1854-1855 годах Каллан разработал электрохимические ячейки, которые собрал в большие батареи для питания электромагнитов.
Каллан также построил ранние электрические двигатели и в 1853 году запатентовал гальванический процесс, направленный на предотвращение окисления железа.
Тем не менее он не пренебрегал своим религиозным призванием, написав около 20 книг на подобные темы.
Каллан построил свое устройство, потому что ему нужны были высокие напряжения в его экспериментах, трансформируя их из низкого напряжения, обеспечиваемого его батареями, но он не смог внедрить изобретения в широкую эксплуатацию.
Даниэль Румкорф – получение импульсов высокого напряжения
В 1851 году Генрих Даниэль Румкорф (1803-1877) запатентовал устройство и широко использовал, так что он стал известен как “катушка Румкорфа”.
Несколько других изобретателей работали над его усовершенствованием, вводя “разделенный» железный сердечник для уменьшения потерь и автоматические прерыватели.
Рюмкорф был немецким приборостроителем, который переехал на заработки за границу, сначала в Англию, а затем во Францию.
В Париже он открыл мастерскую по изготовлению научных приборов. Напряжение, наведенное в его вторичной обмотке 1851 года вызывало искры 5 см, но в его усовершенствованной модели 1857 года они могли достигать и 30 см.
Эти устройства обеспечили Даниэлю Румкорфу успех: Наполеон III присудил ему премию в 50 000 франков в 1858 году.
Он также изобрел другие инструменты, такие как лампа Румкорфа, которая включала его катушку и термоэлектрическую батарею. В последующие годы катушка Румкорфа была использована в телеграфии и сыграла фундаментальную роль в экспериментальных исследованиях как источник высоких напряжений, более эффективный, чем электростатические машины.
Уильям Крукс – генерация электронов в газоразрядных трубках
С 1861 года источник высоких напряжений использовался английским физиком и химиком Уильямом Круксом (1832-1919) для питания своих вакуумных ламп, которые он использовал для проведения ранних экспериментов с катодными лучами. Его результаты привели его к предположению, что лучи состоят из частиц с отрицательным зарядом (очень ранняя интуиция электрона).
Исследования с использованием подобных приборов вывели на свет концепцию рентген лучей (получаемых при воздействии катодного луча на мишень), которые систематически изучались немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845-1923) с 1895 года.
За эти достижения Рентген был удостоен первой Нобелевской премии по физике.
Джозеф Джон Томсон – открытие электрона
Британский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940), нобелевский лауреат (1906), использовал источник высоких напряжений в дальнейших экспериментах, которые привели его к открытию электрона в 1897 году признав его в тысячу раз легче чем атом водорода.
Этот результат был предсказан в 1895 году французским физиком Жаном-Батистом Перреном (1870-1942) после его экспериментов с аналогичной аппаратурой. Перрен также был удостоен Нобелевской премии по физике в 1926 году.
Все эти экспериментальные устройства использовали трансформатор, введенный Калланом для получения повторяющихся высоковольтных импульсов, питаемых от батарей постоянного тока.
Свеча Яблочкова
Павел Николаевич Яблочков
В 1876 году появилась простая, дешевая и эффективная дуговая лампа-свеча Яблочкова, которая вскоре получила большой успех в Европе и Америке.
Чтобы обеспечить равное потребление двух параллельных углеродных стержней, между которыми была установлена дуга, ток должен был непрерывно изменяться, и с этой целью производители начали строить генераторы переменного тока, полученные из их динамомашин постоянного тока. Появилась технология переменного тока.
Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс — изобретатели трансформатора
Идея применения связанных катушек в системах переменного тока была впервые задумана Яблочковым, изобретателем свечи, но она прошла незамеченной. Вместо этого устройство со связанными катушками впервые реализовано в Лондоне в 1881 году французским химиком Люсьеном Голаром (1850-1888) и британцем Джоном Диксоном Гиббсом (1834-1912).
Их устройство, полученное из катушки Румкорфа и получившее название вторичного генератора, имело соотношение витков 1:1 и открытый железный сердечник.
Несколько таких устройств питались на своих первичных устройствах, соединенных последовательно, в то время как их вторичные устройства питали независимых пользователей при низком напряжении.
Они запатентовали и продемонстрировали устройство в Лондоне в 1882 году на Туринской Международной выставке 1884 года на линии переменного тока, протянувшейся на рекордное расстояние в 34 км.
Уильям Стэнли-младший
В Америке ученым занимавшимся изучением электричества и практически воплощавшим его возможности был Уильям Стэнли-младший (1858-1916), инженер компании Westinghouse Electric.
В 1886 году он ввел в эксплуатацию первую американскую систему переменного тока в Баррингтоне, штат Массачусетс. Он питал освещение лампами накаливания и впервые использовал повышающие трансформаторы.
В 1890 году он открыл свой собственный трансформаторный завод, который в 1903 году был приобретен компанией General Electric. В 1893 году Уильям Стэнли-младший поставил первые трехфазные трансформаторы на первую американскую многофазную электростанцию в Редленде, штат Калифорния. Он также изобрел счетчик для переменного тока и лампу накаливания с обугленной шелковой нитью.
Элиу Томсон
Еще один шаг вперед сделал ученый занимавшийся изучением электричества в 1887 году химик и электрик британского происхождения Элиу Томсон (1853-1937).
Бывший учитель средней школы, в 1880 году вместе с профессором Эдвардом Дж.
Хьюстоном (1847-1914) основал американскую Электрическую компанию (позже Thomson-Houston Electric Company), производившую системы для дугового освещения, которые имели большой успех.
В 1886 году они начали производить системы переменного тока для ламп накаливания и, работая на этой линии Томсон в 1887 году построил первый трансформатор с масляной изоляцией, способный к лучшей изоляции и охлаждению.
В 1888 году Элиу Томсон задумал трансформатор постоянного тока и электрическую контактную сварку, которая позволяла проводить ранее невозможные сварочные операции. Изобретение было использовано новой компанией -Thomson Electric Welding.
В 1892 году Элиу Томсон способствовал слиянию Thomson-Houston Electric Company и Edison General Electric Company, дав жизнь General Electric Company (GE).
Он руководил исследовательской лабораторией компании, лабораторией Томсона, где разрабатывал тяговые двигатели, электрические счетчики, защитные устройства, рентгеновские аппараты и трехфазные генераторы переменного тока.
Элиу Томсон зарегистрировал почти 700 патентов и был одним из основателей Международной электротехнической комиссии и президентом Массачусетского технологического института с 1920 по 1923 год.
Никола Тесла – идеи беспроводного электричества
Великим ученым занимавшимся изучением электричества был Никола Тесла (1856-1943), американец сербского происхождения.
Изобретатель, отец асинхронного двигателя, многофазных систем, радиоаппаратуры и других электрических инноваций как изобретения Теслы.
Одной из интересных инноваций была катушка Теслы, состоящая из двух слабо связанных катушек с воздушным сердечником, обе резонансные на одной и той же высокой частоте и способные производить чрезвычайно высокие напряжения (миллионы вольт), которые он использовал в эффектных экспериментах, генерируя молнии длиной в несколько метров.
После десятилетий пренебрежения эта концепция в настоящее время привлекает внимание все большего числа исследователей, поскольку она является основой передачи электроэнергии без проводов среднего уровня.
Загрузка...
