Теория цепей и электрические измерения. Ом

⇐ ПредыдущаяСтр 20 из 33Следующая ⇒

После появления источников постоянного тока среди множества направлений исследований действия тока одному из них, а именно законам протекания тока во внешней пассивной цепи, на первых порах не уделялось должного внимания. Но как только дело дошло до практического использования электрических цепей, это направление стало весьма актуальным. Первым крупным шагом в теории электрических цепей стал закон, установленный немецким ученым Георгом Симоном Омом (1789-1854), носящий его имя.

Г. Ом родился в Эрлангене в семье слесаря. Отец Георга уделял большое внимание его образованию. Ом учился в гимназии, затем в Эрлангенском университете. После окончания университета в 1811 г. Ом защитил докторскую диссертацию по философии и стал преподавать в своем университете. В 1817 г. Ом переезжает в Кельн и становится старшим преподавателем в иезуитской коллегии (гимназии). Здесь он начинает активно заниматься физикой. Физическая лаборатория коллегии была неплохо оборудована, в ней можно было проводить не только учебные, но и научные опыты, чем и пользовался Ом. Увлечение электрическими и магнитными явлениями пришло к Ому, как считают его биографы, под влиянием открытия Эрстеда. Начиная с 1820 г. Ом ведет самостоятельные исследования по электричеству и магнетизму. Открытие эмпирического закона, носящего имя Ома, относится к 1926 г. Не останавливаясь на этом Ом, пытался построить общую теорию цепей, основу которой он изложил в монографии “Гальванические цепи, обработанные математически” (1827 г.) Нельзя сказать, что авторитет ученого быстро пришел к Ому. Лишь в 1839 г. он был избран членом-корреспондентом Берлинской академии наук, в 1841 г. удостоен высшей награды Лондонского Королевского общества – медали Копли. Незадолго до смерти в 1852 г. Ом занял университетскую кафедру, а до этого преподавал в военной школе в Берлине и в Политехнической школе Мюнхена.

Исследования по электричеству Ом начал с определения относительных величин проводимости различных металлов. В своей первой статье “Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество” Ом сообщает первые и весьма скромные результаты, содержащие, как оказалось, существенные ошибки, возникшие, прежде всего, из-за нестабильности электродвижущей силы использованного в опытах “вольтова столба”. В этой своей статье Ом делает заключение о логарифмической зависимости тока от сопротивления проводника. К тому времени появились маломощные, но стабильные источники электродвижущей силы – термоэлементы и термобатареи. Ом воспользовался в качестве источника электродвижущей силы термобатареей, во внешнюю цепь которой включал медные проволоки одинакового диаметра, но различной длины. Силу тока Ом измерял по отклонению магнитной стрелки, на которую воздействовал проводник с током. Магнитная стрелка устанавливалась на металлической нити, образуя своеобразные крутильные весы. Когда ток, направление которого первоначально совпадало с направлением стрелки, отклонял ее, Ом, закручивая нить, компенсировал отклонение, приводя стрелку в исходное, параллельное проводнику состояние. Сила тока считалась пропорциональной углу закручивания нити. Ом ставил перед собой задачу подобрать на основе опытов формулу, описывающую зависимость тока от параметров цепи. Ом нашел, что экспериментальные данные " могут быть весьма удовлетворительно представлены уравнением:

X= ,

где X - сила магнитного действия, возникающая при использовании проводника, x, a и b – постоянные величины, зависящие от возбуждающей силы и сопротивления остальной части контура". Эта формула переходит в знакомую из школьного курса физики формулу закона Ома, если заменить X – силой тока I, a – электродвижущей силой (b+x) – полным сопротивлением цепи.

Теорию электрических цепей, изложенную в упомянутой монографии, Ом строит по аналогии со знаменитой работой Жана Батиста Фурье “Аналитическая теория тепла” (1822 г.). Ом полагает, что механизм “теплового потока”, движущегося под влиянием разности температур, можно уподобить механизму проводимости, в котором ток возникает под воздействием “разницы электроскопических сил”. В своей теории Ом вводит четкие понятия электродвижущей силы (“электроскопической силы”), электропроводности и силы тока. С учетом этих понятий Ом формулирует известный закон изменения напряжения вдоль цепи.

Научные исследования по электричеству и магнетизму порождали заманчивые технические идеи. Мысль об использовании электрического тока для передачи сообщений увлекала Вольта и Ампера. Ампер в 1820г. предложил проект телеграфа, в котором используются электромагнитные явления. Эту идею развили и воплотили в жизнь Гаусс и Вебер, построившие в 1833 г. в Геттингене простейшую телеграфную линию.

Практически телеграф стал использоваться благодаря остроумному изобретению американца Самуэла Морзе (1791 – 1872), создавшему телеграфный алфавит, состоящий всего из двух знаков. Первая модель телеграфа Морзе была построена им в 1835г., а в 1844г. уже была создана первая в Америке коммерческая компания по эксплуатации телеграфа. Научные исследования в области электричества и магнетизма, таким образом, впервые нашли весомое практическое применение.

Стремление усовершенствовать телеграф привело английского естествоиспытателя Чарльза Уитсона (1802 – 1875) к изобретению точного метода измерений сопротивлений и электродвижущей силы электрических цепей, основанного на балансе плеч так называемого “моста Уитсона”.

Вслед за воздушным телеграфом появился и подводный телеграф. Проблемами создания подводного телеграфа и соответствующими электрическими измерениями занялся Уильям Томсон (1824 – 1907), сумевший спроектировать кабель, соединивший Англию и Америку. При проектировании потребовались многочисленные измерения сопротивления и емкости электрических цепей, разработка системы единиц электрических и магнитных измерений. Первый трансатлантический кабель функционировал только один месяц. Вторая попытка оказалась более удачной, и в 1866 г. новый кабель вступил в действие. За свои научные исследования Уильям Томсон получил титул лорда Кельвина (1892 г.). Сначала он хотел в память о своих работах по прокладке трансатлантического кабеля выбрать имя “лорд Кабель”. Но в дело вмешалась младшая дочь У. Томсона, которая во время обсуждения имени позвала всех купаться на речку, которая текла поблизости, и называлась Кельвин. Было решено взять название этой речки в качестве нового титула.

Основу электромагнитной метрологии заложил Гаусс в своей знаменитой статье “Величина силы земного магнетизма в абсолютных мерах” (1832 г.). Система абсолютных единиц, предложенная Гауссом, основывалась на основных единицах механики – единице времени (секунда), единица длины (миллиметр) и единице массы (миллиграмм). Остальные единицы выражались через эти три основные. Система Гаусса стала прообразом абсолютных систем единиц. Парижский Международный конгресс 1881г. впервые установил международные единицы измерения, названные в честь великих физиков. Эти называния по большой части сохранились по сей день. В настоящее время в России в качестве предпочтительной применяется международная система единиц (СИ). В физике допускается применение гауссовской системы СГС, основанной на трех основных единицах: секунда, грамм, сантиметр.

⇐ Предыдущая 15 16 17 18 192021 22 23 24 Следующая ⇒