Электродинамика, основные законы электрической цепи

Крупным научным событием рассматриваемого периода явились разработка основ электродинамики и установление электрической природы магнетизма А. Ампером (1862-87 гг.) [1].

Основываясь на том, что катушка или кольцевой проводник с током аналогичен магниту, Ампер пришел к выводу об идентичности взаимодействия кольцевых проводников и магнитов. От кольцевых проводников Ампер перешел к линейным и показал, что в зависимости от направления тока в таких проводниках они будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Обнаруженное явление было названо Ампером электродинамическим в отличие от электростатического. Он вывел уравнение, характеризующее силу взаимодействия двух проводников.

Ампер пришел к принципиально новому выводу о причинах явления магнетизма. Основываясь на тождестве действий круговых токов и магнитов, он считал, что магнетизм какой-либо частицы обусловлен наличием круговых токов в ней. Гипотеза Ампера о молекулярных круговых токах явилась новым прогрессивным шагом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

В рассматриваемый период наметился переход от качественных наблюдений явлений к установлению количественных соотношений и основных закономерностей в электрической цепи.

Впервые связь между током и сечением проводника была отмечена 1802 г. В.В. Петровым. В 1821 г. Дэви показал, что проводимость зависит от материала и температуры проводника; он заметил также зависимость проводимости от сечения проводника.

Более глубоко это явление было исследовано немецким физиком Г.С. Омом. Исследуя электрическую цепь, Ом впервые проводит аналогии между движением электричества и тепловым или водяным потоками, при этом разность потенциалов играет роль падений температур или разностей уровней. Основываясь на указанной аналогии, он устанавливает известный закон электрической цепи, носящий его имя.

Спустя два десятилетия (1847 г.) немецким физиком Г.Р. Кирхгофом были сформулированы два закона для разветвленных электрических цепей [1].

Начало нового этапа (2-го) в развитии электротехники относится к 1831 г. и связано с открытием явления электромагнитной индукции, ставшим истоком последующих важнейших достижений в области электротехники. Это выдающееся открытие, как и другие ему подобные, было исторически обусловлено развитием производства и успехами науки об электричестве и магнетизме.

К концу первой четверти XIX в. взаимосвязь между различными явлениями природы и взаимопревращением различных форм движения материи были уже доказаны: установлена связь тепловой и механической; электрической и тепловой; электрической и химической форм энергии. Изучение явлений электромагнетизма также убедительно указывало на связь между электричеством и магнетизмом.

Опыты Фарадея показали, что электромагнитная индукция возникает только при изменении (любым способом) магнитного потока относительно проводника.

Фарадей впервые ввел понятие о магнитных силовых линиях, совокупность которых составляет магнитное поле, как физическую реальность. Им было доказано, что наведение тока имеет место только при движении проводника поперек магнитных силовых линий. Отсюда вытекала возможность генерирования электрического тока при перемещении замкнутого проводника в поле магнита.

Фарадей установил и количественное соотношение между индукционными токами и силовыми линиями, подчеркнув, что сила тока пропорциональна скорости движения проводника и количеству пересекаемых силовых линий.

В результате многочисленных опытов Фарадей построил первый электромагнитный генератор, так называемый "диск Фарадея", при помощи которого можно было получить электрический ток (униполярный генератор -генератор постоянного тока).

Дальнейшие исследования электромагнитной индукции привели к установлению законов о направлении индуктированного тока. Этот закон был сформулирован в 1832г. Э.Х. Ленцем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или постоянного магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижен, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Этот закон позволил Ленцу сформулировать важнейший для электротехники принцип - обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин.