Итак, при жизни Ом в Европе не получил признания.
Уже после смерти Ома, в 1881 году на международном науч-ном конгрессе в Париже по установлению единой системы единиц измерения Александр Григорьевич Столетов предложил назвать именем Ома единицу электрического сопротивления и сам закон. Интересно, а что же немцы-то смолчали?
А.Г.Столетов /1839-1896г./ после окончания МГУ учился и ра-ботал под руководством Кирхгофа именно в Гейдельбергском уни-верситете, потом в Геттингене и в Париже.
И всё же голубая мечта Ома о преподавании в высшей школе сбылась. С 1833 по 1849 год Г.С.Ом профессор, а затем директор Нюрнбергской политехнической школы. Потом, переехав в Мюнхен, занимал должность хранителя коллекций Баварской академии. Только в 1852 году он получил должность ординарного профессора и возглавил кафедру в Мюнхенском университете.
Георг Симон Ом умер 6 июля 1854 года в возрасте 65 лет.
* Майкл Джеймс Фарадей /1791-1867г./ - ещё один великий учёный, труженик и мученик. Родился 22 сентября 1791 года в семье кузнеца в Лондоне. Семья бедная, Майкл был третьим из семерых детей. Будущий великий учёный не окончил даже начальной школы. С малых лет его отдали в обучение к переплётчику. Наукам он обучался самостоятельно. Посещал так называемые научно-популярные лекции химика Хэмфри Дэви. Старший брат, да ещё один из клиентов переплётной мастерской иногда давали ему деньги на билет на этот цикл лекций.
Как раз в 1812 году Фарадей заканчивал практику и вот-вот должен был защищать диплом (удостоверение ПТУ по нашенски), чтобы стать квалифицированным подмастерьем переплётчика. И тут вдруг он пишет письмо Дэви и просит взять его на какую угодно работу в Королевский институт /при академии наук/. Дэви предостерёг его перед таким непрактичным шагом, посоветовав не покидать прежнее место работы, но всё же взял его ассистентом в свою лабораторию. Впоследствии Фарадей писал: «Помогая мне в моём стремлении к науке, Дэви говорил, что наука скудно вознаграждает тех, кто жертвует собой ради неё. На моё замечание о душевном благородстве людей науки он улыбнулся и сказал, что следует воздержаться от этой оценки, ибо несколько лет работы, вероятно, изменят мои взгляды».
Но что такое ассистент? Фарадей мыл посуду, делал уборку в лаборатории, помогал жене Дэви в хозяйственных работах – и всё это за 25 шиллингов в неделю. Квартирой для Фарадея был чердак, прямо над лабораторией, в которой он работал, часто за полночь. Были и приятные моменты. В 1813 году вместе с семьёй Дэви Фарадей на 2 года отправляется в путешествие на континент, несмотря на войну. Во Франции он знакомится с Андре Ампером /38лет/ и Алессандро Вольта /68лет/, которые занимались опытами по электричеству. Неизвестно, на каком языке они говорили, но опыты по электричеству, наверное, пришлись по душе молодому Фарадею.
Тем не менее, по возвращении в Англию, он продолжал работать в химлаборатории Дэви. Но отношения с Дэви становились всё хуже: учитель чувствовал, что ученик уже превосходит своего учителя. Как-то, совершенно случайно Фарадей получил жидкий хлор и, естественно, написал об этом статью. А Дэви пишет к статье заметку, из которой следует, что автор идеи он, а Фарадей – лишь технический исполнитель. В 1824 году кандидатура Фарадея была выдвинута в члены Королевского Научного Общества. Дэви, председатель этого общества, отчаянно сопротивляется, но потом всё же преодолел чувство зависти и часто говорил, что самым великим открытием самого Дэви было «открытие Фарадея».
А что же с «электричеством»? Фарадей следит за новостями и в этой области. В 1821 году под влиянием открытия Эрстеда о воздействии проводника с током на магнитную стрелку, в своём дневнике Фарадей записал: превратить магнетизм в электричество! И это стало программой, навязчивой идеей для Фарадея. Однажды он намотал на трость две обмотки…одну подключил к батарейке, а вторую замкнул на гальванометр, который, слава богу, уже изобрели. Но что он мог показать, ток ведь постоянный! И всё же Фарадей заметил, что ток во второй обмотке появляется только в моменты замыкания или размыкания первой обмотки. Он взял и попробовал опыт с постоянным магнитом. Ток появился!
В 1831 году он опубликовал уже отработанный и многократно проверенный закон – закон электромагнитной индукции.
С 1833 по 1855 год он ежегодно публиковал свои «Экспериментальные исследования по электричеству». Всё пытался получить эффект электромагнитного действия на расстоянии, т.е. эффект передачи электромагнитных волн. И в 1837 году он, по сути, уже вторгся в теорию электромагнитных полей.
Фарадей стал великим учёным, но в жизни он всегда оставался скромным человеком, помнил, как самому доставались знания. Поэтому вёл для детей цикл научно-популярных лекций. Много времени отнимали химические анализы и экспертизы, которые он должен был выполнять по службе, работа в президиуме Королевского института, торжественные приёмы. Чтобы освободить время для научной работы, он решил три дня в неделю никого не принимать. Но здоровье сдавало. У него ослабла память, не помогали и записи, приходилось каждый раз опыты начинать заново, но и в 70 лет он продолжал исследования. Фарадей был очень близок к тому, что сделал в 1873 году Д.Максвелл – предположил существование электромагнитных волн и описал их математическими уравнениями. А может не хватило математики.
Майкл Фарадей – сын кузнеца, переплётных дел подмастерье, член Английского Королевского Научного Общества, профессор и всегда скромный человек умер 25 августа 1867 года на 76 году жизни.
* Джозеф Генри /1797-1878г./ из штата Нью-Йорк, США. Его отдали в обучение к часовщику, но он участвовал в местном кружке художественной самодеятельности и мечтал стать актёром. Случайно одолженная книга по физике, астрономии и химии / вот это книга! / изменила его жизнь. В 1826 году он был назначен преподавателем математики и физики в местной академии города Эйлбейна, где сразу же занялся экспериментами с электромагнитами. Д.Генри впервые построил магнит с подъёмной силой в 1000кг. Одновременно с Фарадеем Генри занимался электромагнитной индукцией. Американцы считают, что если бы он побыстрее объявил о своих результатах, то автором закона об электромагнитной индукции был бы Джозеф Генри. Ладно, соглашаются они, пусть Фарадей открыл взаимоиндукцию, зато самоиндукцию открыл Генри. За заслуги в этой области его именем названа международная единица индуктивности.
В 1832 году Генри назначен на должность профессора физики в Принстонский колледж. Здесь он изобрёл электромагнитное реле, занимался метеорологией, системой международного обмена информацией. В ознаменование заслуг, в 1868 году Джозеф Генри был назначен президентом Национальной Академии Наук в Вашингтоне. Умер Джозеф Генри 13 мая 1878 года.
* Эмилий Христианович Ленц /1804-1865г./ - русский физик, прекрасный педагог, в 1836 году возглавил кафедру физики Петербурского университета, написал много учебников, создал «Петербургскую школу физиков».
Научную известность получил по исследованиям в области электричества и магнетизма. Когда в 1831 году было открыто явление электромагнитной индукции, то не совсем ясно было с направлением индуктированных, наведенных токов. Должны бы по э.д.с., а в экспериментах получалось наоборот. В 1835 году Фарадей открыл и явление самоиндукции /американцы считают, что это заслуга Д.Генри/. Самоиндукция – это возникновение э.д.с. не только от чьего-то изменяющегося тока, но и от изменения тока в своём же проводнике или в своей же катушке. И вновь трудности с направлением. «Правило Ленца» или закон электромагнитной инерции звучит так: при всяком изменении магнитного потока (за счёт ли изменения своего тока или за счёт изменения внешнего потока), сцепляющегося с каким-либо проводящим контуром, в последнем возникают силы электрического и механического характера, стремящиеся сохранить постоянство магнитного потока. Конечно, здесь приведена современная формулировка закона. Он означает, что э.д.с., наведенная в контуре, стремится создать ток, препятствующий изменению потокосцепления контура. Механическая же сила будет направлена противоположно скорости пересечения витком потока, его нормальной составляющей. Столь подробные пояснения даны для того, чтобы более чётко понимать и различать явления самоиндукции и явление электромагнитной индукции, явление и закон, описывающий это явление. Ленц также проверил и уточнил, что сущность тока остаётся одинаковой, независимо от того, по какой причине он возникает и по каким проводам проходит. Оказывается, даже это нужно было доказывать.
Наконец, самое известное: независимо от Джоуля Ленц устанавливает, что при протекании тока выделяется тепло, и формулирует закон превращения электрической энергии в тепловую - теперь закон Ленца-Джоуля.
* Джеймс Прескотт Джоуль /1818-1889г./ -англичанин, родился в г.Салфорде недалеко от Манчестера в семье пивовара. Из-за плохого здоровья в школу пошёл лишь в 15 лет, одновременно работая на пивзаводе.А здесь здоровье неважно? Интересно, его учителем был Дальтон. Уж не тот ли самый?
А в 19 лет Джоуль заявил об оригинальном двигателе! Правда, ничего не известно, что это за двигатель, но то, что к 19-20 годам Джоуль устроил у себя физическую лабораторию – вызывает уважение. Англичане, как и американцы, умеют преувеличивать. Без научной подготовки, но трудолюбивый и добросовестный, Джоуль помногу раз повторял свои опыты. И вот увлёкся тепловым воздействием тока. К тому времени Ом уже объявил о связи тока и напряжения, о различном сопротивлении проводов. Так что в свои 22 года Джемс Джоуль уже мог достаточно направленно проводить эксперименты по «превращению» электрического тока в теплоту. Свой научный трактат на эту тему печатает только в 1848 году, уже хорошенько обработав зависимость в математическую формулу. Он определил ещё и механический эквивалент теплоты. Конечно, вряд ли он знал о работах Ленца. Тем более, что Ленц скорее мог быть известен по работам с явлением электромагнитной индукции.
В 1878 году, т.е. в 60 лет за свои труды Джоуль получил награду от Королевы Англии – пожизненную пенсию, а потом его именем была названа единица работы. Вот такая разница в оценках заслуг россиянина и англичанина.
Умер Д.П. Джоуль в родном городе Салфорде на 71 году, пережив Ленца на 24 года.
** Густав Роберт Кирхгоф /1824-1887г./ - немецкий физик. О его жизни почти ничего неизвестно, только научная деятельность. Получил превосходное образование в области физики и математики, учился в Кёнигсберском университете. В 23 года выдаёт свою исследовательскую /возможно, что это дипломная/ работу «О течении электрического тока через плоскую пластинку, например, круглую». В этой работе впервые сформулированы два правила, которые теперь мы называем законами Кирхгофа. Вот как их передают в неэлектротехнической литературе.
Первое правило гласит: ни в какой точке сети тока не может происходить ни накопление, ни убыль электрического заряда.
Второе правило относится к силе тока /?/. Самая простая его формулировка гласит: во всяком замкнутом контуре сумма всех электродвижущих сил равна сумме произведений сил токов и сопротивления соответствующих участков контура.
За эту работу Кирхгоф получает докторскую степень (в нашем понимании – кандидат наук) и в том же 1847 году принимает дол-жность доцента физики в Кёнигсберском университете. Несмотря на молодость, Кирхгоф обладал просто даром чтения лекций: сжато, доступно, с очень точными формулировками и прекрасным владением математикой. В 1850 году, т.е. в 26 лет ему была предложена должность экстраординарного профессора физики в Бреславском /Вроцлавском/ университете. Но в 1854 году он принимает должность ординарного профессора физики в Гейдельбергском университете, где проработает более 20 лет. Здесь же работал Гельмгольц, стажировался А.Г.Столетов. Здесь в работе, опу-бликованной в 1858 году, Кирхгоф выводит так называемые телеграфные уравнения /это по длинным линиям/. Он указывает, что вдоль проводов распространяется «электрическая волна», на которую накладывается похожая, отражённая и возвращающаяся в обратном направлении, и что эти волны распространяются со скоростью близкой к скорости света. Ну точно, как мы излагаем этот процесс и сегодня!
Благодаря свободному владению математическим аппаратом, Кирхгоф выполнил много исследований по ёмкости устройств, по электро- и магнитострикционным явлениям.
Научные работы Кирхгофа были оценены сразу, его же совре-менниками. В 1861 году он избран членом-корреспондентом Берлинской Академии наук, а годом позже такое же звание ему присвоено Петербургской и Парижской академиями. В 1875 году он переезжает в Берлин и возглавляет кафедру математической физи-ки в Берлинском университете.
Умер Густав Роберт Кирхгоф 17 октября 1887 года на 63 году жизни, в расцвете творческих сил.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ЗАКОНЧЕНА.
ТЕПЕРЬ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.
Законы Кирхгофа совместно с законами Ома, Фарадея и Джоуля - Ленца закончили формирование теории электрических цепей. Параллельно цепям постоянного тока, особенно благодаря работам Майкла Фарадея и Эмилия Ленца, шло развитие теории переменных токов.Научная мысль вплотную приблизилась к реализации в практически полезную электротехнику.
В 1832 году в России П.Л.Шиллингом изобретён первый в мире электромагнитный телеграф.
В 1834 году Б.С.Якоби построил первый электродвигатель с вращающимся ротором и уже через 4 года катал на лодке по Неве 14 пассажиров.
В 1859 году создан практичный свинцовый аккумулятор.
В 1875 году А.Н.Лодыгин, а в 1876 году П.Н.Яблочков предложили лампы для уличного освещения. Одновременно Яблочков изобретает и трансформатор.
В 1875 году Ф.А.Пироцкий осуществил передачу энергии мощностью в 6 лошадиных сил /1л.с.= 735.6 ватта/, а несколько позднее, в 1882 году француз Мишель Депре передал мощность 2.2 Квт на расстояние 57км.
Создание П.Н.Яблочковым трансформатора позволяло сосредоточить выработку электроэнергии в одном месте, на электростанции, с последующей передачей её к потребителям на большие расстояния. В России первая электростанция мощностью в 1200 Квт и напряжением 500 В построена в 1893 году, то ли в Петербурге, то ли в Нижнем Новгороде.
Можно сказать, что с 1876 года, когда был изобретён трансформатор, развития теории и техники сделало уклон в сторону переменных токов.
В целом же наука об электричестве и магнетизме к концу XIX века перешла в новый, более высокий уровень разви- тия. В ней закладывались основы теории электромагнитных полей.
Появился человек и его гипотеза, которую учёные долгое время не могли даже хорошенько понять и освоить.
* Джеймс Кларк Максвелл /1831-1879г./ - шотландец, родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Был он робким и замкнутым ребёнком, не расставался с книжками, рисовал, как все, писал стихи, но и быстро проявил большие способности к математике. В 15 лет он написал какую-то научную работу по геометрии, которую напечатали даже в ежегоднике Эдинбургского Королевского Общества. В 16 лет поступил в университет, изучал математику, физику и химию. Похоже, что все уважающие себя люди, будут ли они учёными или не будут, должны пройти через эти математику, физику и химию. А раньше учили ещё и астрономию!
Так вот, в 19 лет Максвелл продолжил учёбу в Кембридже. Впрочем, учёбу – это громко сказано. Ну как тогда, а может быть и сейчас там, у них учат? Такие вот чисто учебные дисциплины, курсы лекций по математике, по физике, возможно, и существовали. Никаких тебе этик, эстетик, психологии или философии, начерталки или сопромата, основ научных иследований или, упаси и помилуй, деловой мовы! В остальном, примерно так: какой-то известный учёный занимается своими исследования. У каждого ведь была почти-что своя лаборатория. А студенты помогают что-то измерить, что-то записать. Если деканат посчитает, что такие исследования можно прочитать в виде лекций студентам, преподаватель готовит цикл из 10-12 лекций и читает. Посещение, разумеется, свободное. Хочешь, чтобы в дипломе было записано: прослушал такой-то курс, пожалуйста, ходи. Экзамен сдавать не надо. Может быть предложат написать реферат по какой-либо теме. Гуляй сколько угодно, на занятия можешь не ходить, посиди в библиотеке и к концу семестра напиши свой реферат. Так, наверное, было и у Максвелла. В 1855 году он пишет работу «О фарадеевых силовых линиях», где поддерживает идею исследования электрического и магнитного воздействия на расстоянии.
В 25 лет Максвелл уже профессор Абердинского университета в Шотландии. Потом перебирается в Лондон: в 1860-1865 годах – профессор физики и астрономии в Кинг-колледже. А в 1871 году Максвелл приглашается на должность профессора экспериментальной физики в Кембриджский университет. Здесь специально была создана самая новая физическая лаборатория имени Г.Кавендиша, здесь же тогда собрались многие известные учёные, в общем это был центр научной и творческой деятельности. Максвелл стал первым руководителем лаборатории. Здесь он написал работу о равновесии колец Сатурна, занимался кинетической теорией газов, впервые указал на возможность получения различных цветов комбинацией из трёх основных цветов. Сам же он считал наиболее плодотворными 1860-1866 годы, когда занимался электричеством и магнетизмом, продолжая, по сути, развивать идеи Фарадея. Именно в 1864 году он сформулировал уравнения, которые явились обобщением всех известных прежде законов для электростатических и магнитостатических явлений, а также для явлений, сопровождающих протекание постоянного и переменного токов. Это были уравнения электродинамики, которые мы теперь называем уравнениями Максвелла. Из них следовало, что существуют на самом деле некие единые электромагнитные волны, и они распространяются в пространстве со скоростью близкой к скорости света. И Максвелл высказал эту научную гипотезу. Подтверждена она была Генрихом Герцем лишь в 1886 году, уже после смерти Максвелла.
Но попробуем, хотя бы, показать ход рассуждений Максвелла. Ведь, как говорили, у него вся лаборатория – это его голова!
Возьмём заряженный конденсатор. Всем известно, что между обкладками конденсатора существует электрическое поле. А если обкладки замкнуть проводником? Понятно, что потечёт ток, а поле в конденсаторе будет ослабевать. Ток будет, скажем так, изменяющимся. Но протекание тока, да ещё и изменяющегося, сразу создаст магнитное поле. Тут в силу вступает Фарадей со своими законами: если изменяется магнитный поток, то это приводит к появлению э.д.с. Таким образом, получается, что электрическое поле порождает магнитное, а то, в свою очередь, вновь создаёт электрическое. Здесь можно немного возразить: ток-то течёт в проводнике, следовательно, и поле возникает вокруг проводника. Причём здесь поле в конденсаторе? Это и так, и не так. Во-первых, то, что магнитное поле создано электрическим полем конденсатора, это факт. А во-вторых, разве ток протекает только в проводнике, а по диэлектрику конденсатора он разве не замыкается? Замыкается, в виде тока смещения. Но это нам легко об этом говорить, потому что уже знаем и о возможности тока смещения. Максвелл же осмыслил эти явления ещё глубже, и как бы сказал, что при изменении магнитного поля вокруг проводника, оно распространяется и наводит электрическое поле не только в самом проводнике, но и в диэлектрике конденсатора. И что процесс идёт волнообразно: то туда, то сюда. Вот откуда появилась мысль о единых электромагнитных волнах. Они должны здесь существовать, как существуют волны в упругих телах, или волны световые.
Процесс взаимодействия идёт во времени, это динамический процесс. И он может быть описан лишь динамическими, т.е. дифференциальными или интегродифференциальными уравнениями. С точки зрения математики они имеют многозначное решение. Значит, для получения результата и принятия следующего положения необходимо вернуться к физическому толкованию. Максвелл поступал именно так: исходное физическое явление описывал формально математически, а затем каждое последующее урав-нение, его необходимость, увязывал физическим объяснением.
В системе уравнений, которые Максвелл сформулировал в 1864 году, основных уравнений два:
[ 1 ]
[ 2 ]
Суть, физическая трактовка уравнений в том, что вихрь магнитного поля [ rot H] создаётся либо током проводимости [ γΕ ], либо изменением поля в диэлектрике [ εа˙ ∂Е ∕ ∂t] . А вот вихрь, зародыш электрического поля [ rot E] является плодом только изменяющегося магнитного поля [ - μа˙ ∂Н ∕ ∂t ] .
Здесь чувствуется некая несимметрия системы и как бы её незавершённость. Ведь тогда уже было известно, что электрическое поле может быть создано и неподвижными кулоновыми зарядами. Поэтому Максвелл вводит два дополняющих уравнения. Но как их ввести? Они ведь не должны нарушить описанную первыми уравнениями физическую сущность явления, но и должны полностью соответствовать математике. И он разъясняет математически уже имеющиеся в уравнениях векторные величины Н и Е:
[ 3, 4]
Дело в том, что в математике, чтобы полностью определить векторную величину, надо указать не только ротор rot функции, но и её дивергенцию – div. Вот он и указал это. А то, что дивергенция, исток, начало электрического поля может быть и в точках расположения свободных электрических зарядов отражено через плотность заряда в любой точке пространства - ρсвоб.
Только вот теперь, после такого примера, после длительных объяснений, можно оценить гениальность Максвелла.
Эту систему уравнений и связанную с ней электромагнитную теорию света Максвелл изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», как уже упоминалось, в 1864 году. Тогда её никто не понял и не воспринял. Потом последовали другие работы: о Сатурне, о газах, о смешении цветов. И ещё 9 лет он работал над этой теорией, чтобы изложить её наиболее полно и глубоко в своём «Трактате об электричестве и магнетизме» в 1873 году. Здесь он даёт наглядный рисунок распространения синусоидальной волны, пользуется современными обозначениями, уравнения выражает в векторной форме через оператор Гамильтона /набла/, в общем старается сделать работу понятной для современников. В трактате, помимо теории поля, он много внимания уделяет электротехническим измерениям и расчётам электрических цепей. Кстати, две формы применения уравнений Кирхгофа /для контурных токов и для узловых потенциалов/ из этого трактата Максвелл читал в виде лекций студентам в Кембриджском университете. И что же, помогло? Нет, не помогло. Даже учёные-электротехники никак не могли освоить чрезмерно новые и неожиданные мысли и выводы Максвелла.
Спустя 14 лет Генрих Герц /1857-1894г./, немецкий физик, всю свою короткую жизнь занимавшийся исследованием электромагнитных волн, экспериментально доказал, что они есть, что они тоже преломляются, отражаются, обладают свойством интерференции и поляризации. Так вот уже Герц попытался более просто и систематично изложить теорию Максвелла. Крупный исследователь в области электролиза Вильгельм Гитторф, много слышавший о новом учении об электричестве, попытался уже в преклонном возрасте изучать Трактат, но не смог пробиться через путаницу непривычных формул и понятий. Это привело его в состояние глубокой депрессии. Коллеги убедили съездить отдохнуть в Гарц. Но когда они перед отъездом нечаянно заглянули в чемодан Гитторфа, то обнаружили в нём… оба тома Трактата.
Несмотря на то, что теория Максвелла лежит в основе всей проводной и беспроводной связи, несмотря на широчайшее распространение различных видов преобразования и передачи электромагнитной энергии, преподавать теорию Максвелла инженерам-электрикам стали лишь спустя 50 лет после опубликования самого Трактата.
Джеймс Кларк Максвелл своими научными трудами открыл новую область развития науки об электромагнитных явлениях - он заложил основы теории электромагнитных полей - ТЭМП.
Умер Максвелл 5 ноября 1879 года, всего лишь на 48 году жизни.
В развитии же теории электрических цепей в послемаксвелловский период очень важным для электротехники было изобретение Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским трёхфазной электрической системы. В России, как всегда, не смогли оценить то, что имели, не нашлось денег, поэтому он работал в Америке на «Дженерал-Электрик».
В 1889-1891 годах он разработал и внедрил все элементы трёхфазной системы: генератор, трансформатор, линию электропередачи и электродвигатель. Преимущества трёхфазной системы оказались настолько весомыми, что вскоре именно 3Х-фазные системы стали преобладающими во всём мире. На сегодня, например, 98.2% всех электрических машин являются трёхфазными.
Одним из заметных событий можно считать введение американским инженером Чарльзом Протеусом Штейнметцем в 1903-1904 годах метода комплексных амплитуд, или, как он сам его называл, символического метода расчёта электрических цепей. На самом деле Ч.П. Штейнметц не американец, а еврей немецкого происхождения. Работать в Америке ему, наверное, пришлось по всем известной причине. Недаром же, узнав о революции в России, о её плане ГОЭЛРО, Штейнметц предложил Ленину и свою посильную помощь.
Повторюсь, это был период повсеместной, в самых различных областях, бурной отдачи науки практической электротехнике.