Установление основных законов электрической цепи
По мере углубления исследований электрического тока подготавливались также и условия для перехода от качественных наблюдений явлений в электрической цепи к установлению количественных соотношений. Впервые связь между током и сечением проводника была отмечена в 1802 г. В. В. Петровым, установившим, что при увеличении площади поперечного сечения проводника ток в цепи возрастает. В 1821 г. Г. Дэви показал, что проводимость зависит от материала и температуры проводника; он также отметил зависимость проводимости от площади сечения проводника. Более глубоко эти явления были исследованы> немецким физиком Г. С. Омом.
Помещая магнитную стрелку, подвешенную на нити,. около проводника с током, Ом показал, что угол кручения нити, характеризующий отклоняющее действие тока, оставался постоянным по всей длине проводника. На основании этих опытов Ом пришел к выводу о том, что ток в различных участках неразветвленной цепи остается неизменным. Исследуя закономерности в электрической цепи, Ом впервые проводит аналогии между движением электричества и тепловым или водяным потоком; при этом разность потенциалов играет роль падения температур или разностей уровней. Основываясь на указанной аналогии, он осуществляет ряд экспериментов и устанавливает известный закон электрической цепи, носящий его имя. Результаты исследований Ома были опубликованы в 1827 г. в работе «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г. С. Омом». Спустя два десятилетия, в 1847 г., немецким физиком Г. Р. Кирхгофом были сформулированы два закона для разветвленных электрических цепей (законы Кирхгофа).
Начало нового этапа в (развитии электротехники относится к 1831 г. связано с открытием явления электромагнитной индукции, ставшего истоком последующих важнейших достижений в области электротехники. К концу первой четверги XIX в. были уже доказаны взаимосвязь между различными явлениями природьь и взаимопревращения различных форм движения материи: установлены тесная связь тепловой и механической, электрической и тепловой,электрической и химической форм энергии. Изучение явлений электромагнетизма также убедительно указывало на связь между электричеством и магнетизмом. Если электрический ток вызывал магнитные действия, то естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызывать появление электрического тока. Такое предположение было впервые высказано М. Фарадеем, который был убежден в возможности взаимных превращений «сил» природы; в 1821 г. он записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». В результате упорных исследований Фарадей в 1831 г. показал возможность «превращения магнетизма в электричество», открыв явление электромагнитной индукции. Полгода спустя это же явление наблюдалось независимо от Фарадея американским физиком Д. Генри.
Опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает как в неподвижном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, так и в проводнике, который перемещается в неизменном магнитном поле. Фарадей впервые вводит представление о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле как физическую реальность. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при пересечении магнитные силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле постоянного магнита.
Основываясь на своих исследованиях, Фарадей сумел впервые дать правильное научное объяснение явлению, известному под названием «явления Араго» или «магнетизма вращения». Это явление, обнаруженное в 1824 г. Д. Ф. Араго, заключалось в том, что при вращении медного диска, находящегося над магнитной стрелкой (или под ней), стрелка также приходит во вращение. Ни Араго, ни другие ученые, повторявшие этот эксперимент, не сумели в то время дать ему правильное объяснение. Большинство ученых считало, что это явление вызывается наведением в диске магнетизма; при этом предполагали, что полюс магнита в ближайшей к себе части пластины вызывает магнетизм противоположного знака, а в остальных местах — рассеянную полярность одноименного знака. Вместе с тем многие ученые, в том числе и сам Араго, подчеркивали тот факт, что когда магнит и диск находятся в покое, никаких явлений притяжения между ними не замечается, тогда как предполагаемый наведенный магнетизм в диске Должен был бы некоторое время сохраняться.
Только открытие явления электромагнитной индукций позволило объяснить причину вращения диска в поле магнита. Фарадей, анализируя явление Араго, показал, что при вращении диска в магнитном поле в нем наводятся токи, которые и взаимодействуют с магнитом. Поскольку индукция имеет место только при взаимных перемещениях проводников и магнитов, то в состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом быть не может
Фарадей показал, что на осноЁе опыта Араго можно создать новый источник электричества; следовательно, он придавал своим работам непосредственную практическую направленность, стремясь усовершенствовать существовавшие тогда способы генерирования электрического тока, в результате многочисленных опытов Фарадей построил первый электромашинный генератор, так называемый «диск фарадея», при помощи которого можно было непрерывно генерировать электрический ток. Медный диск располагается между полюсами N и S постоянного магнита так, чтобы и магнитные линии проходили через диск перпендикулярно его плоскости. При вращении диска в магнитном поле в нем наводятся электрические токи. Если на периферии диска и в его центральной части поместить токоприемники в виде скользящих контактов (щеток), то между ними при вращении диска появится разность потенциалов. При замыкании цепи между этими токоприемниками на гальванометр можно наблюдать непрерывное (диск прохождение тока. При перемене на правления вращения диска направление тока также изменяется. Это устройство представляет собой униполярную машину и является простейшим генератором постоянного тока.
Дальнейшим обобщением исследований явления электромагнитной индукции явилось установление закона о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован Э. X. Ленцем в 1832 г. в результате многочисленных экспериментов и критического анализа трудов многих Физиков, изучавших явление индукции. Ряд ученых, в том числе и Фарадей, делал попытки определить направление индуктированного тока в каждом отдельном случае; однако для некоторых взаимных положений движущихся проводников так и не удалось установить направления наведенного тока. Закон Ленца был сформулирован им следующим образом: «Если металлический проводник движется поблизости г гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы анный проводник был неподвижным, то ток могбыобус-вить его перемещение в противоположную сторону; при история энергетической техники.
Закон Ленца имел прежде всего значение в том отношении, что давал непосредственную возможность предвидеть и определять направление наведенного тока; кроме того, этот закон позволил Ленцу сформулировать важный для электротехники принцип — обратимость генераторного и двигательного режимов электрической машины. В 1838 г. Ленц практически осуществил обратимость электрической машины постоянного тока, заставив ее работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Открытый Лен-цем принцип обратимости электрической машины, как известно, является одним из фундаментальных положений электротехники. Открытие закона о направлении индуктированного тока явилось одной из предпосылок к открытию закона сохранения и превращения энергии.