Исследование работ Фарадея по электричеству

Далее он пишет: "Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки". Другими словами, магнитные силовые линии окружают проводник с током, или электрический ток является вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом суть открытия Эрстеда.

Сегодня любой школьник без труда воспроизведет опыт Эрстеда, продемонстрирует "вихрь электрического конфликта", насыпав на картон, через центр которого проходит проволока с током, железные опилки.

Но обнаружить магнитные действия тока было нелегко. Их пытался обнаружить Петров, соединяя полюсы своей батареи железными и стальными пластинками. Он не обнаружил никакого намагничивания пластинок после нескольких часов пропускания через них тока. Имеются сведения и о других наблюдениях, однако с полной достоверностью известно, что магнитные действия тока наблюдал и описал Эрстед. Это открытие привлекло внимание физиков Европы. "Ученый датский физик, профессор, - писал Ампер,- своим великим открытием проложил физикам новый путь исследований. Эти исследования не остались бесплодными; они привлекли к открытию множества фактов, достойных внимания всех, кто интересуется прогрессом".

Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс. Вскоре, после того как де ла Рив в Женеве повторил опыты Эрстеда, хлынул поток опытов и сообщений. В сентябре 1820 г. Араго показал, что проволока с током притягивает железные опилки. В том же сентябре Швейгер применил эффект Эрстеда в качестве указателя тока (мультипликатор). В 1821 г. Поггендорф (1796-1877) придал ему удобную форму, и в этом виде его и поныне можно видеть в школьных физических кабинетах.

Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био— Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон Био - Савара фигурирует в учебниках физики.

Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики "электродинамикой", и это название прочно вошло в язык физики. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. Ампер изучил все тома знаменитой "Энциклопедии" Дидро и Даламбера, труды Эйлера, Бернулли, Лагранжа.

Ампер избирает педагогическое поприще. Сначала он работает домашним учителем, а в 1802 г. становится преподавателем физики и химии в центральной школе г. Бурге. В 1803 г. Ампера назначают преподавателем математики в Лионский лицей. В следующем, 1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г.— ее профессором.

В 1814 г. его избирают членом Академии наук. С 1820 г. Ампер усиленно занимается электродинамикой, и в 1826 г. выходит его основной труд по электродинамике "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта". Позже Ампер занимается многими научными проблемами, в том числе и проблемой классификации наук. В результате этих исследований появилось его сочинение "Опыт философии наук, или Аналитическое изложение естественной классификации всех человеческих знаний", первый том которого вышел в 1834 г., второй, незаконченный том вышел посмертно в 1843 г.

Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики. Начиная с первого сообщения в Парижской Академии наук 18 сентября 1820 г., последовавшего через неделю после сообщения Араго об открытии Эрстеда, идут один за другим сообщения Ампера: 25 сентября; 2, 9, 16, 30 октября; 6, 13 ноября; 4, 11 и 26 декабря 1820 г. В 15-м томе "Анналов химии и физики" был опубликован "Труд, представленный Королевской Академии наук 2 октября 1820 г. и содержащий резюме докладов, прочитанных в академии 18 и 25 сентября 1820 г. относительно действий электрических токов". Этот труд подытоживал напряженную работу Ампера по исследованию нового явления, выполненную в течение короткого двухнедельного промежутка времени.

Ампер различает два основных электрических понятия: электрическое напряжение и электрический ток. Под электрическим током Ампер понимает "состояние электричества в цепи проводящих и электродвижущих тел"; под его направлением — направление положительного электричества. Внутри вольтова столба это будет "направление от конца, на котором при разложении воды выделяется водород, к концу, на котором выделяется кислород". "...Направление электрического тока в проводнике, соединяющем концы столба, будет обозначать направление от конца, где выделяется кислород, к концу, где выделяется водород". Следовательно, Ампер вводит впервые такие фундаментальные понятия, как "электрический ток", "электрическая цепь", устанавливает направление тока в замкнутой цепи. Наименование единицы тока ампер, принятое в физике, вполне оправдано заслугами Ампера. Он же вводит термин "гальванометр" для прибора, действие которого основано на отклонении магнитной стрелки, и указывает, что "им следует пользоваться при всех опытах с электрическими токами, как принято пользоваться электрометром при электрических машинах, чтобы видеть в каждый момент, существует ли ток и какова его энергия".

Ампер впервые установил наличие механических взаимодействий токов, которые могут быть в зависимости от направления как притягательными, так и отталкивательными. Он подчеркивает, что "эти притяжения и отталкивания... существенно отличаются от тех, которые вызываются электричеством в состоянии покоя". Ампером выведен закон, закон механического (пондеромоторного) взаимодействия двух токов, текущих в малых отрезках проводников, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

 Сила F12 , действующая со стороны первого отрезка проводника ll1 на второй ll2 (рис. 6), равна:

Рис. 6. Закон Ампера

Рис. 7. Взаимодействие двух элементарных токов: а — параллельных, б — антипараллельных. Все отрезки (векторы) на рисунке лежат в одной плоскости.

Исследуя экспериментально электродинамические взаимодействия, Ампер приходит к выводу, что путем комбинации проводников и магнитных стрелок можно "устроить своего рода телеграф с помощью одного вольтова столба, расположенного вдали от стрелок". Так, идея электромагнитного телеграфа возникла в первый же год открытия электромагнетизма. Она разрабатывалась рядом изобретателей и ученых. В 1829 г. русский дипломат П. Л. Шиллинг (1786-1837) сконструировал телеграфный аппарат, дающий возможность передавать русские буквы и цифры с помощью шести мультипликаторов. Аппарат Шиллинга был установлен в Зимнем дворце. В 1833 г. Гаусс и Вебер построили телеграфную линию в Геттингене, соединяющую астрономическую и физическую лаборатории. Существовали и другие системы, в частности система русского физика Б. С. Якоби (1801-1874). Однако широкое распространение электромагнитный телеграф получил после того, как американский изобретатель Самуил Морзе (1791-1872) создал удобную конструкцию аппарата, разработал схему соединения отравительной и приемной станции и изобрел специальную азбуку с двумя знаками (точка - тире). Первый аппарат Морзе был построен в 1835 г., а в 1844 г. заработала телеграфная линия Вашингтон - Балтимор.

Ампер очень скоро пришел к мысли об эквивалентности магнитного листка круговому току и разработал представление о магните "как о совокупности электрических токов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных к линии, соединяющей полюсы магнита". Отсюда он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов ("магнитных жидкостей") в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическую опору в электронной физике уже в XX в. Обобщающим трудом Ампера была "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта", изданная в 1826 г. с подзаголовком "Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.".

Он поставил перед собой задачу, основываясь на опыте, вывести формулу взаимодействия элементов тока. Задача была нелегкой. Опыт давал только интегральное взаимодействие. Ампер варьировал опыты с взаимодействием токов, пытаясь нащупать правильную формулу и, интегрируя ее для различных случаев конечных контуров тока, сравнить результат с опытом, формула Ампера открывает длинный ряд элементарных законов электродинамики.

Важно, что элементарные взаимодействия двух элементов тока не удовлетворяют третьему закону Ньютона, это новый тип взаимодействия, отличный от обычных центральных сил. Впрочем, то обстоятельство, что физика открыла новый тип сил, отличный от гравитационных, электростатических и магнитных сил, было ясно уже из опыта Эрстеда. Электродинамические силы, как правильно заметил Ампер, новые силы, отличные от сил, известных в электростатике.

Однако сам Ампер искал свой закон, опираясь на третий закон механики. Он полемизировал с Био, установившим, что силы, действующие со стороны элемента тока на магнитный полюс, образуют пару с силой, действующей со стороны полюса на элемент тока. Так началась проблема закона сохранения количества движения в электродинамике. Ампер еще не подозревал о существовании поля, о запаздывании электромагнитных действий. Он стоял на позициях дальнодействия, что для постоянных токов было допустимо. Но ему и его современникам уже пришлось столкнуться с новыми фактами, трудно объяснимыми при помощи ньютоновских представлений.

Рис. 8. Станок Ампера

Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля. В 1821 г. Фарадей доказал экспериментально, что отдельный магнитный полюс, помещенный вблизи проводника с током, приходит в непрерывное вращение. Ему пришлось проявить немало изобретательности, чтобы придумать такое расположение проводников и магнита, чтобы действию тока подвергался только один полюс. Магнит в опыте Фарадея вращался безостановочно, пока цепь была замкнута. Это была первая модель электродвигателя.

Как всегда бывает в науке, когда открывается новое поле исследования, появляется большое количество экспериментаторов и изобретателей, возникают бесчисленные споры о приоритете того или иного открытия. Имена этих экспериментаторов и изобретателей ныне забыты или полузабыты, Фарадею пришлось выдержать длительный спор о приоритете в открытии электромагнитных вращений.

Из многочисленных открытий и изобретений в области электричества, сделанных в 20-е годы XIX в., следует упомянуть об открытии в 1821 г. термоэлектричества. Оно принадлежит прибалтийскому физику Томасу Зеебеку (1770—1831). Это открытие стало возможным благодаря открытию Эрстеда и некоторое время даже именовалось термомагнетизмом. В свою очередь, открытие Зеебека и изобретение мультипликатора дали возможность немецкому учителю Георгу Ому (1787—1854) открыть количественный закон цепи электрического тока, носящий ныне его имя.

Ома закон, устанавливает, что сила постоянного электрического тока I в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

RI = U

Опыты и теоретические рассуждения Ома, который находился под сильным влиянием вышедшего в 1822 г. сочинения Фурье (1768-1830) "Аналитическая теория тепла", были описаны им в основном труде "Гальваническая цепь, разработанная математически" (1827). Следует отметить, что этот закон, без которого мы сейчас не представляем себе учебника электричества, не сразу был принят физиками и стал входить в науку только в конце 30-х - начале 40-х годов XIX в. Его признание шло параллельно с успехами электрометрии. Одним из первых принял и применил закон Ома русский академик Э.Х.Ленц, который рассматривал и вопросы распределения тока в разветвленных проводниках, явившись предшественником Кирхгофа.

Ленц занимался также изучением электромагнитов, впервые на основе опытов Араго и теории Ампера созданных Вильямом Стердженом (1783-1850) в 1825 г. Электромагниты с большой подъемной силой были построены американским физиком Джозефом Генри (1799-1878), независимо от Фарадея открывшим электромагнитную индукцию. Однако его публикация об этом открытии запоздала, и слава великого открытия принадлежит Майклу Фарадею.

1.2 Труды М.Фарадея по постоянному току

Истоки современной электротехники восходят к замечательным трудам английского ученого Майкла Фарадея, которые, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений.

Фарадея для науки открыл Хэмфри Дэви. Он очень много дал Фарадею, который признавал роль учителя в своем становлении как ученого. Многие работы Фарадея как бы логически вытекали из работ или идей Дэви.

Остановимся на законах электролиза, которые он открыл уже после смерти учителя, базируясь на теории Дэви, развитой Берцелиусом и другими известными учеными. Но количественных закономерностей изменений, происходящих в растворе, никто установить не смог. А звучат законы настолько просто, что диву даешься, как их не смогли сформулировать маститые ученые.

Количество разложенного при электролизе вещества увеличивается пропорционально силе тока и времени его прохождения.

Количество выделенных на электродах веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.

Но законы не только позволили вести количественные расчеты. Благодаря законам Фарадея стало возможным сделать вывод "об электрической природе материи и об атомном строении электричества, на которых зиждется все современное материалистическое естествознание".

Д. Максвелл писал: "Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды (т.е. заряды – с современной точки зрения), Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде".

Нет нужды повторяться о той огромной роли, которую сыграл Дэви в судьбе Фарадея. Но рассказ будет неполным и искаженным, если мы упустим некоторые факты взаимоотношений учителя и ученика. Когда в 1823 г. Фарадей опубликовал несколько работ, связанных с проблемами химии, Дэви, напечатавшего всего одну статью за год, это задело за живое. Кроме того, ученые все больше ссылались в своих работах на Фарадея, а не на его учителя. Кончилось тем, что когда Фарадей подал заявление о приеме его в члены Королевского общества, президент сэр Хэмфри Дэви выступил против. Правда, Дэви одумался, и Фарадея в следующем году почти единогласно избрали членом Королевского общества (один голос против).

В 1834 г. Фарадей в работе "Об электрохимическом разложении" предложил ввести новую терминологию. И на этот раз, как и все, что выходило из-под пера Фарадея, терминология была проста, научно обоснованна и понятна: Электролиты, ионы (путешественники), катионы (к отрицательному полюсу), катод (путь вниз), анод (путь вверх) и соответственно, анионы. Это был вклад в основу единого языка и международного сотрудничества. Справедливо говорил Бульвер-Литтон, английский писатель: "Гений творит то, что он должен, талант – то, что может".

Знаменитый опыт Фарадея с тороидальным сердечником из мягкого железа и двумя обмотками, соединенными одна через ключ с батареей, другая с гальванометром, известен всем со школьной скамьи.

Явление электромагнитной индукции воспринимали, как открытие нового вида электричества - "магнитоэлектричества". Фарадей решил окончательно доказать, что в природе не существует разных "электричеств". Для этого он получил восемь различных действий от пяти видов "электричества" (обыкновенного, гальванического, животного, термоэлектричества и магнитоэлектричества). Следующая серия исследований Фарадея была посвящена электрохимическим явлениям. Он предложил и ныне принятую терминологию: электролиз, электрод, катод, анод, анион, катион.

Электролиз (от электро... и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз лежит в основе электрохимического метода лабораторного и промышленного получения различных веществ - как простых (электролиз в узком смысле слова), так и сложных (электросинтез).

Изучение и применение электролиза началось в конце 18 - начале 19 вв., в период становления электрохимии. Для разработки теоретических основ электролиза большое значение имело установление М. Фарадеем в 1833-34 точных соотношений между количеством электричества, прошедшего при электролизе, и количеством вещества, выделившегося на электродах.

Промышленное применение электролиза стало возможным после появления в 70-х гг. 19 в. мощных генераторов постоянного тока.

 Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде. электролиз осуществляется в специальных аппаратах - электролизёрах.

 Электролиз происходит за счёт подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электродах. Энергия при электролизе расходуется на повышение гиббсовой энергии системы в процессе образования целевых продуктов и частично рассеивается в виде теплоты при преодолении сопротивлений в электролизёре и в других участках электрической цепи.

На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов или молекул электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления или в атомы, например при восстановлении ионов железа (F3+ +e = Fe2+), электроосаждении меди (Cu2+ + 2e = Cu). Нейтральные молекулы могут участвовать в превращениях на катоде непосредственно или реагировать с промежуточными продуктами катодного процесса. На аноде в результате электролиза происходит окисление ионов или молекул, находящихся в электролите или принадлежащих материалу анода (анод растворяется или окисляется), например: выделение кислорода (4OH- = 4e + 2H2O + O2) и хлора (2C1- =2e + Cl2), образование хромата (Cr3+ + 3OH- + H2O = CrO42- + 5H+ + 3e), растворение меди (Cu = Cu2+ + 2e), оксидирование алюминия (2Al + 3H2O = Al2O3 +6Н+ + 6e).

Электрохимическая реакция получения того или иного вещества (в атомарном, молекулярном или ионном состоянии) связана с переносом от электрода в электролит (или обратно) одного или нескольких зарядов в соответствии с уравнением химической реакции. В последнем случае такой процесс осуществляется, как правило, в виде последовательности элементарных одноэлектронных реакций, то есть постадийно, с образованием промежуточных ионов или радикальных частиц на электроде, часто остающихся на нём в адсорбированном состоянии.

 Скорости электродных реакций зависят от состава и концентрации электролита, от материала электрода, электродного потенциала, температуры и ряда других факторов. Скорость каждой электродной реакции определяется скоростью переноса электрических зарядов через единицу поверхности электрода в единицу времени; мерой скорости, следовательно, служит плотность тока.

Были установлены соотношения между весами различных веществ, выделяемых на электродах при пропускании одного и того же количества электричества, связь между химическими и электрохимическими эквивалентами. При этом Фарадей пришел к выводу о необходимости ввести понятие "абсолютного количества электричества" - заряда грамм-атома одновалентного вещества, названного потом "числом Фарадея".

Количественные законы электролиза, открытые М. Фарадеем (1833 – 34) выражают связь между количеством прошедшего через электролит электричества, массой и химической природой (через эквиваленты химические) веществ, претерпевших превращение на электродах,

1-й закон.: массы т превращенных веществ пропорциональны количеству электричества q, прошедшего через электролит,

2-й закон.: массы различных веществ, превращенных в результате прохождения через электролит одного и того же количества электричества, пропорциональны химическим эквивалентам А этих веществ.

Из второго закона Фарадея следует, что для выделения электрическим током 1 г-экв. различных веществ необходимо одно и то же количество электричества, называемое Фарадея числом F. Математически законы Фарадея можно записать в виде одного уравнения т = (A/F) q = kq (коэффициент k = A/F называется электрохимическим эквивалентом).

Оба закона Фарадея абсолютно точны, если ионами электролита переносится всё прошедшее через него количество электричества. Наблюдаемые в некоторых случаях отклонения от этих законов могут быть связаны с неучтенными побочными электрохимическими реакциями (например, выделение газообразного водорода при электроосаждении некоторых металлов) или с частичной электронной проводимостью (например, при электролизе некоторых расплавов).

Не будучи сторонником теории о существовании неделимых атомов, он открыл путь к введению понятия атома электричества (заряда электрона) и, таким образом, к мысли о сложности строения самого атома. Величина заряда электрона определяется, как известно, делением числа Фарадея на число Авогадро.

1.3 Исследование положений М.Фарадея о существовании электрического и магнитного полей

В 1838 году Фарадей провел серию разнообразных опытов с газовыми разрядами различных типов и, в частности, обнаружил необъяснимое в то время "темное пространство" (названное его именем), свидетельствующее об отсутствии симметрии в поведении положительных и отрицательных носителей разрядного тока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8