ВЕРНЕМСЯ К ИСТОРИИ. ВЕДЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ТЕСНО СВЯЗАНЫ С ИЗУЧЕНИЕМ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА?
В начале XIX в. имелись веские доказательства того, что химические процессы и поведение газов можно наилучшим образом объяснить исходя из «атомной» структуры вещества. К 1825 г. казалось достаточно ясным, что тысячи различных химических соединений следует рассматривать как вполне определенные комбинации атомов сравнительно небольшого числа элементов.
Разложение воды с помощью электрического тока (гальванической батареи Вольта) на кислород и водород было воспринято как одно из доказательств того, что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением (т. е. статическому электричеству), поскольку еще с 1750 г. было известно, что последнее может вызвать химическое разложение.
В 1833 г. Майкл Фарадей (1791–1867) установил законы электролиза, в основу которых были положены строгие количественные соотношения.
Было установлено, что между количеством электричества, прошедшего через раствор, и количеством выделенного на электродах вещества существуют определенные строгие соотношения. Может быть, и электрический заряд тоже состоит из отдельных «атомов электричества?» Тогда можно было бы предположить, что и каждый атом вещества несет с собой один или несколько «атомов электричества». И если это действительно так, то легко можно объяснить результаты опыта. Видимо, электрический заряд состоит из мельчайших неделимых порций положительного и отрицательного электричества.
Эти электрические частицы тесно связаны с атомами любых веществ. При растворении эти электрические частицы перемещаются от одного атома к другому. При этом одна частица имеет положительный заряд, другая — отрицательный. Такие заряженные частицы были названы ионами — от греческого слова «ион» — идущий, странствующий. Отсюда следовало, что электрический ток в растворах представлял собой два потока положительных и отрицательных ионов.
Работы Фарадея хотя и не дали научного ответа на природу электричества, однако послужили убедительным подтверждением предположения, что вещество по своей природе имеет атомную структуру и в процессе электролиза каждый атом получает вполне определенное количество электричества.
ЭЛЕКТРОЛИЗ ЖЕ С ТЕХ ПОР ПОЛУЧИЛ РАБОЧУЮ ПРОФЕССИЮ…
Электролиз широко применяют в настоящее время в технике для различных целей. Электрическим способом поверхности одного металла покрывают тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.
При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.
При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.
Если принять меры к тому, чтобы электрическое покрытие хорошо отслаивалось от поверхности, на которую осаждался металл, можно получить копию с рельефной поверхности. В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц. Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластика) был разработан русским ученым акад. Б. С. Якоби (1801–1874) в 1836 г.
РАССКАЖИТЕ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ МАГНЕТИЗМА
Примерно за 10 лет до этого датский ученый X. X. Эрстед (1777–1851) открыл явление, связанное с возникновением магнитного поля в пространстве вблизи проводника с током (рис. 21, а — в). Араго и Ампер в 1820 г. подтвердили открытие Эрстеда. Они же изготовили первый соленоид для получения мощного источника магнитного поля. Задача превращения электричества в магнитное поле была решена.
Рис. 21. Эксперимент, подтверждающий, что вокруг с током образуется магнитное поле
Источник ЭДС отключен (а); в цепи протекает электрический ток (б); ток протекает в противоположном направлении (в)
Далее Фарадей делает попытку найти аналогию между действием электрического тока и эффектом, известным в электростатике как «индукция заряда». Здесь отрицательно заряженный предмет, будучи поднесенным к незаряженному изолированному проводнику, притягивает положительные заряды ближайшей по отношению к себе части проводника и отталкивает отрицательные заряды. Фарадей задался целью: нельзя ли таким же образом с помощью одного тока вызвать появление другого тока?
Пытаясь проследить за возникновением индуцированного тока во второй цепи, он обнаружил возникновение только коротких импульсов тока, появляющихся в момент включения или выключения тока в первой цепи. Им же было обнаружено, что ток индуцируется в проводнике или в катушке с намотанным на нее проводником, если катушка движется относительно магнита (рис. 22) или если магнит перемещается относительно неподвижных витков катушки (рис. 23).
Рис. 22. Возникновение ЭДС при пересечении проводником силовых линий постоянного магнита
Рис. 23. Возникновение ЭДС при перемещении постоянного магнита по отношению к неподвижным виткам катушки
На основании полученных данных Фарадей ввел представление о линиях магнитной индукции (силовых магнитных линиях) (рис. 24).
Рис. 24. Распределение линий магнитной индукции (силовых линий) между двумя разноименными (а) и одноименными (б) полюсами
В том же десятилетии Георг Ом (1787–1854) установил соотношение между разностью потенциалов на проводнике и проходящим через него током. Таким образом, примерно к 1835 г. были сделаны основные открытия в области электричества и магнетизма, благодаря которым была заложена база развития электротехнической промышленности. Человечество вступило в новую эпоху — эпоху электротехники, электроники и гигантских электростанций.
Якоби в 1838 г. создал первую практическую модель электрической машины, которая могла работать или в режиме двигателя, или в режиме генератора. Резкий рывок в развитии электрических машин был получен благодаря заслугам русского ученого Доливо-Добровольского, который в 1885 г. изобрел совершенно новый тип машины — трехфазный асинхронный двигатель, который и в настоящее время является массовым двигателем.
КАКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОБОБЩЕНИЯ БЫЛИ СДЕЛАНЫ ТОГДА ИЗ ИМЕВШИХСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ФАКТОВ?
Первым, кто достиг успеха в разработке фундаментальной теории электричества и магнетизма, был Дж. Максвелл (1831–1879).
По его мнению, понятие силовых линий, предложенных Фарадеем в качестве некоторого аналога для описания поведения магнитных полей, могло послужить основой для математической формулировки закона Ампера о взаимодействии магнитного поля с электрическим током. Максвелл обобщил закон Фарадея для индукции токов при изменении магнитных полей, связывающий напряженность электрического поля с электрическими зарядами, а также закон, описывающий обычные магнитные поля, и выразил их в виде математических уравнений.