Закон Джоуля-Ленца .
Джеймс Джоуль
(английский физик)
Эмилий Христианович Ленц
( российский физик)
|
| Закон Джоуля-Ленца . |
| |
| Джеймс Джоуль (английский физик) | Эмилий Христианович Ленц ( российский физик) | ||
В XIX веке, независимо друг от друга, англичанин Д. Джоуль и русский ученый Э. Ленц изучали нагревание проводников электрическим током и экспериментальным путем установили следующий закон: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Получим закон Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон Ома, запишем формулу для вычисления работы тока A=IUt в двух других формах.
В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики и выразим из него работу, совершенную над проводником:
Вспомним, что U – это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q – количество теплоты, отданное проводником (на это указывает "минус"), A' – работа, совершенная над проводником.
Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то работу в проводнике с током совершают силы электрического поля.
Выясним теперь, что происходит с внутренней энергией проводника. Если ток в цепи только что включили, то проводник будет постепенно нагреваться, а его внутренняя энергия – увеличиваться. По мере роста температуры будет возрастать величина t° – разность между температурой проводника и температурой окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона, будет возрастать и мощность теплоотдачи проводника в окружающую среду. Через некоторое время это приведет к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться.
С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина U станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A' = –Q. То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.
Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.
Формула, заключенная в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем опытным путем, а рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально п
роверить справедливость закона Джоуля-Ленца. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление проводника – вычисляют, используя показания вольтметра.
Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I2Rt и Q=cmt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.
Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах
Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении постоянного электрического тока, определяется выражением:
, (1)
где I – сила тока в проводнике, R – сопротивление проводника, t – время, в течение которого проходит электрический ток.
Если сила тока в проводнике изменяется со временем I = I(t), то количество теплоты, которое выделяется за бесконечно малый интервал времени, равно:
,
а количество теплоты, выделяемое за интервал времени 
равно:
(2)
закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.
За счет чего происходит нагревание проводника?
Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проходит заряд
.
Учитывая, что U = RI (в соответствии с законом Ома), получим
,
а работа
, (3)
т.е. нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями тока.
Для выражения закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, представим следующие величины в виде:
, 
,
где dl – длина выделенного проводника, ds – площадь поперечного сечения проводника, через которую проходит ток, плотность которого j. Тогда получим
, откуда 
.
Выражение 
– называется удельной мощностью тока Руд.
.
Таким образом, получим:
или
(4)
«закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме», т.е. удельная мощность тока пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Коэффициентом пропорциональности является удельная электропроводность проводника.
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля-Ленца, как показывает опыт, справедлив и для электролитов и для полупроводников.
В качестве примера технической реализации явления Джоуля-Ленца изображена лампочка накаливания.
Лампочка накаливания
Применение эффекта.
Тепловое действие тока находит широкое применение в технике. В1873 г. русский инженер А. Н. Лодыгин (1847-1923) впервые использовал тепловое действие тока для устройства электрического освещения (лампа накаливания). На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта в 1802 русским инженером В. В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.
К р о с с в о р д.
Слова по горизонтали должны означать:
1,2. Английский и русский ученые, установившие на опыте независимо друг от друга, от чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током.
3.Часть электрической лампы накаливания, которая ввинчивается в патрон.
4.Русский ученый, открывший явление электрической дуги.
5.Металл, из которого изготовляют спираль лампы накаливания.
6.Изобретатель первой лампы накаливания, пригодной для практического использования.
7.Изобретатель дуговой лампы – электрической свечи.
8.Американский изобретатель, усовершенствовавший лампу накаливания и создавший для нее патрон.
9.Материал, из которого изготовляют баллон лампы накаливания.
10.Газ, применяемый для изготовления ламп накаливания.
Вопросы по теме.
Кем и когда было открыто тепловое действие тока?
На основе какого закона при выведении формулы была выяснена связь между работой и теплотой?
Приведите пример технической реализации явления Джоуля-ленца.
Кем впервые было использовано тепловое действие тока для устройства электрического освещения?
Для чего справедлив закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме?
При помощи какой установки можно экспериментально проверить справедливость закона ?
Литература.
Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа, 1990.
Савельев И.В. Курс общей физики.- М.: Наука, 1978.- Т.2.
www.fizika.ru
www.effects.ru
studfiles.net
Реферат на тему:
Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом[1].
В словесной формулировке звучит следующим образом[2]
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля
Математически может быть выражен в следующей форме:
где w — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока,
— напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах[3]:
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка
В математической форме этот закон имеет вид
где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:
При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии, понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи.
Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно. Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки (
) растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности (
) пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.
Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение
и
в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как
. Откуда следует, что
. В каждом конкретном случае величина
является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
wreferat.baza-referat.ru
Довольно трудно представить жизнь современного человека без электричества. Оно стало одним из главных и самых ценных атрибутов современного существования. Фактически любой человек, который когда-либо работал с электричеством, знает, что при прохождении по проводам тока у них есть свойство нагреваться. Отчего же это зависит?
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которые называются электронами. И если ток протекает по проводнику, то в нём начинают происходить разные физические процессы, а именно сталкиваются электроны с молекулами.
Молекулы бывают нейтральные или те, которые потеряли свою отрицательно заряженную частицу. В результате столкновений или электроны могут становиться нейтральными молекулами, или при этом выбивается из другой такой же молекулы электрон, образовавший положительно заряженный ион. Во время этих столкновений расходуется кинетическая энергия заряженных частиц. Именно эта энергия и становится теплом.
На тепловой нагрев проводника может влиять и сопротивление. Например, можно взять определённое тело и тащить его по земле. Земля в этом случае - сопротивление. Что же с ним будет? Правильно, между телом и поверхностью будет происходить сила трения, которая, в свою очередь, нагревает тело. Ток в этом случае ведёт себя точно так же.
И, внимая все вышеупомянутое, учёным удалось определить эту зависимость между силой тока, сопротивлением и количеством тепла. Эта зависимость носит название закон Джоуля-Ленца, формула которого известна всем физикам. В 1832—1833 годах русским физиком Эмилием Ленцем было обнаружено, что при тепловом воздействии на металлические проводники их проводимость капитально изменялась. Это фактически усложняло работу учёного и мешало рассчитывать электрические цепи.
Тогда же молодому учёному пришла в голову мысль о том, что, возможно, существует какая-то зависимость между силой тока и температурой проводника. Но как быть? В то время отсутствовали точные электрические приборы, позволяющие измерить силу тока, сопротивление, не было даже источника стабильного ЭДС. Ленца это не остановило, он решил провести опыт.
Суть этого опыта была настолько проста, как и все гениальное, что его может повторить даже школьник. Учёный сконструировал специальный прибор, который служил для измерения количества тепла, выделяемого проводником. Этим прибором оказался обычный сосуд, вовнутрь которого Ленц заливал раствор разбавленного спирта и ставил проводник – платиновую проволоку, на которую подавался электрический ток.
После того как прибор был создан, учёный начал проводить опыты. Он измерял точное количество времени, необходимое для того, чтобы спирт в сосуде был нагрет до 10 оС. На это было потрачено много не только месяцев, но и лет. И в 1843 году, спустя 10 лет, был опубликован закон, суть которого заключалась в том, что нагревание проводника током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока.
Но не тут-то было! Оказывается, несколько лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль проводил аналогичные опыты, и уже опубликовал свои наблюдения. Как быть? Ленц не сдался и внимательно изучил работу Джоуля и пришёл к выводу, что, пусть они и проводили одинаковые эксперименты, опыты Ленца были гораздо точнее. В связи с чем научное сообщество добавило к работе Джоуля поправки Ленца и этот закон стал называться как закон Джоуля-Ленца. Математическая формулировка закона выглядит таким образом:
Q = I*U*t, где:
Сам же закон звучит так: количество тепловой энергии, выделяемой в проводнике, через который течёт электрический ток, равно произведению силы тока, напряжения и времени прохождения тока через проводник.
Однако будет ли всегда верным это утверждение? Можно попробовать вывести его, используя закон Ома. Судя по нему U = I*R, где R - сопротивление, Ом.
Учитывая закон Ома, можно подставить значение в формулу Q = I*U*t = I2*R*t. Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты напрямую зависит и от сопротивления проводника. Также для закона Джоуля-Ленца будет справедливо и это утверждение: I = Q = I*U*t.
Все три формулы будут верны, однако Q = I2*R*t будет верной для любых ситуаций. Две другие тоже являются правильными, однако при определённых обстоятельствах.
Теперь о проводниках. Изначально в своих опытах Джоуль и Ленц использовали платиновые проволоки, как и было упомянуто выше. Во всех похожих экспериментах учёные того времени использовали в основном металлические проводники, так как они были довольно недорогими и стабильными. Не удивительно, ведь до сих пор металлические проводники – основной тип проводников, в связи с чем изначально считалось, что закон Джоуля-Ленца был применим только к ним. Однако чуть позже было обнаружено, что этот закон применим не только к металлическим проводникам. Он верен для любых из них. Сами проводники по классификации можно разделить на:
И несмотря на различия, в любом случае при увеличении силы тока или сопротивления увеличится и количество тепла.
Открытие закона Джоуля-Ленца сулило огромные перспективы. Ведь, по сути, этот закон позволил создавать своего рода разные электронагревательные приборы и элементы. Например, чуть позже после открытия закона учёные заметили, что при нагревании определённых элементов они начинают светиться. Они захотели поэкспериментировать с ними, используя разные проводники, и в 1874 году русский инженер Александр Николаевич Лодыгин изобрёл современную лампу накаливания, нить которой была сделана из вольфрама.
Применяется закон Джоуля-Ленца и в электротехнике – например, при создании плавких предохранителей. Плавкий предохранитель – это некий элемент электрический цепи, конструкция которого сделана так, что при протекании по нему тока выше допустимого значения (например, при коротком замыкании) он перегревается, плавится и размыкает силовую цепь. Даже обычный электрический чайник или микроволновая печь, которая есть фактически у каждого, работает согласно этому закону.
Довольно трудно определить вклад этих учёных в современную электронику и электротехнику, но одно можно сказать точно – появление закона Джоуля-Ленца перевернуло представление людей об электричестве и дало более конкретные знания о том, что такое электрическое поле в проводнике с током.
Без сомнения, открытый этими великими учеными-физиками закон стал определяющей ступенью во всей науке, именно благодаря этому открытию впоследствии были совершены другие более или менее грандиозные достижения других ученых. Вся наука представляет собой тесное переплетение открытий, каких-то разрешенных и неразрешенных задач. Рассмотренный в этой статье закон определенным образом повлиял на многие исследования и оставил неизгладимый и вполне отчетливый след в науке.
www.syl.ru
Особенно тщательные исследования были выполнены для установления количества теплоты, которое выделяется в проводниках при прохождении тока. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889) в 1841 г. и независимо от него русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865) в 1842 г. установили, что
количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении в нем тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:
Q = I2RΔt.
Этот вывод в науке получил название закона Джоуля-Ленца, а полученная формула является его математическим выражением.
В наиболее общем виде закон Джоуля-Ленца можно получить, если установить, какая энергия выделяется в единице объема проводника за единицу времени (плотность тепловой мощности):
w = Q / VΔt.
 |
| Джоуль Джеймс Прескотт |
 |
| Ленц Эмилий Христианович |
Джоуль Джеймс Прескотт (1818 — 1889) — английский физик, член Лондонского королевского общества с 1859 г. Получил домашнее образование; первые уроки по физике с ним провел Джон Дальтон. Написал выдающиеся работы по теплоте и электромагнетизму, один из первооткрывателей закона сохранения энергии, в 1841 г. (независимо от Э. X. Ленца) открыл закон, который называется законом Джоуля—Ленца.
Ленц Эмилий Христианович (1804 — 1865) — русский физик, член Петербургской АН с 1830 г. Учился в Дерптском университете, а в 1836 г. возглавил кафедру физики и физической географии Петербургского университета, с 1840 г. — декан физико-математического факультета, а с 1863 г. — ректор. Преподавал также в морском корпусе, Михайловской артиллерийской академии, педагогическом институте. В 1833 г. установил правило для определения направления индукционного тока (закон Ленца), а в 1842 г. (независимо от Джоуля) — закон теплового действия электрического тока.
Необходимо величины, характеризующие проводник и электрическое поле в нем в целом (сопротивление проводника R, силу тока в нем I), выразить через величины, характеризующие вещество проводника в каждой его точке (удельное сопротивление или удельная электропроводимость — ρ или σ) и электрическое поле в каждой точке проводника (напряженность поля E).
 |
| Рис. 5.15. Проводник с током |
Рассмотрим проводник (рис. 5.15) длиной l, площадью поперечного сечения S, удельное сопротивление которого ρ (удельная электропроводимость σ), в котором существует ток силой I.
Сопротивление такого проводника R = ρ • l / S, объем — V = S • l, сила тока I = j • S, где j — плотность тока, определяющаяся через напряженность электрического поля E: Материал с сайта http://worldofschool.ru
j = σE или j = (1 / ρ) • E.
Подставляем необходимые данные в формулу для определения плотности тепловой мощности w.
w = Q / VΔt = σ2E2S2lΔt / SlSΔtσ = σE2.
w = σE2 или w = (1 / ρ) • E2.
В этом случае закон Джоуля-Ленца формулируется так:
плотность тепловой мощности в проводнике с током равна произведению удельной электропроводимости вещества проводника на квадрат напряженности электрического поля проводника в данной точке.
На этой странице материал по темам: 
Вопросы по этому материалу: worldofschool.ru
Реферат на тему:
Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем и независимо от него в 1842 году Эмилием Ленцом[1].
В словесной формулировке звучит следующим образом[2]
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля
Математически может быть выражен в следующей форме:
где w — мощность выделения тепла в единице объёма, — плотность электрического тока,
— напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах[3]:
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка
В математической форме этот закон имеет вид
где dQ — количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I — сила тока, R — сопротивление, Q — полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2. В случае постоянных силы тока и сопротивления:
При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения, так и от силы тока, а мощность нагрева зависит от силы тока квадратично, то выгодно повышать напряжение перед передачей электроэнергии, понижая в результате силу тока. Однако, повышение напряжения снижает электробезопасность линий электропередачи.
Для применения высокого напряжения в цепи для сохранения прежней мощности на полезной нагрузке приходится увеличивать сопротивление нагрузки. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно. Сопротивление проводов () можно считать постоянным. А вот сопротивление нагрузки (
) растёт при выборе более высокого напряжения в сети. Также растёт соотношение сопротивления нагрузки и сопротивления проводов. При последовательном включении сопротивлений (провод — нагрузка — провод) распределение выделяемой мощности (
) пропорционально сопротивлению подключённых сопротивлений.
Ток в сети для всех сопротивлений постоянен. Следовательно, выполняются соотношение
и
в каждом конкретном случае являются константами. Следовательно, мощность, выделяемая на проводах, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки, то есть уменьшается с ростом напряжения, так как
. Откуда следует, что
. В каждом конкретном случае величина
является константой, следовательно, тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе.
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при сборке электрических цепей достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют, в частности, выбор сечения проводников.
Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
За счёт сознательного увеличения сопротивления участка цепи можно добиться локализованного выделения тепла в этом участке. По этому принципу работают электронагревательные приборы. В них используется нагревательный элемент — проводник с высоким сопротивлением. Повышение сопротивления достигается (совместно или по отдельности) выбором сплава с высоким удельным сопротивлением (например, нихром, константан), увеличением длины проводника и уменьшением его поперечного сечения. Подводящие провода имеют обычное низкое сопротивление и поэтому их нагрев, как правило, незаметен.
Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.
www.wreferat.baza-referat.ru
Закон Ленца
Ян Шнейберг
В развитии современных средств связи основополагающую роль сыграли открытия в области электромагнетизма, сделанные в XIX в. учеными разных стран – М. Фарадеем, Д.К. Максвеллом, Г. Герцем.
После открытия Фарадея многие явления, связанные с электромагнитной индукцией, оставались недостаточно ясными.
Не существовало точных приборов и методов измерения электрических и магнитных величин, в частности индуктированных токов. Не было закона о направлении этих токов, не были установлены и количественные характеристики явления электромагнитной индукции.
Эти и другие сложные физические проблемы были успешно разрешены выдающимся отечественным физиком, петербургским академиком Э.Х. Ленцем.
Имя Э.Х. Ленца, как и имена выдающихся ученых М. Фарадея, А.М. Ампера, Г.С. Ома, известно каждому образованному человеку еще со школьной скамьи. Фундаментальные исследования Ленца в области физики и электромагнетизма принесли ему мировую славу. Он по праву считается одним из основателей учения об электрических и магнитных явлениях.
Открытие закона Ленца
Несмотря на то что первые научные исследования Ленца относились в основном к области геофизики, его наиболее выдающиеся открытия связаны с изучением электромагнитных явлений. Особый интерес к этим явлениям объясняется, видимо, заметной активизацией научных исследований в области электромагнетизма, связанной с обнаружением электродинамических явлений, открытием важнейших законов Ампером и Омом. Будучи незаурядным экспериментатором, Ленц не мог не убедиться в справедливости открытых законов, тем более что еще не существовало точных приборов и методов измерений электрических и магнитных величин, не было также общепризнанных единиц измерения и эталонов и даже закон Ома многими физиками ставился под сомнение.
Имея немалый опыт работы с крутильными весами Кулона, которые использовались в процессе экспериментов, уже в ноябре 1832 года Ленц подтвердил справедливость закона Ома, что способствовало признанию этого закона физиками разных стран.
Первым важнейшим изобретением Ленца была разработка баллистического метода измерений для изучения законов индукции. В 1832 г., узнав об открытии Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц приступил к экспериментам с целью установления количественных законов индукции. Он считал, что «сила мгновенного тока индукции» действует подобно удару, причем сила этого удара может быть измерена по скорости, сообщаемой стрелке мультипликатора – единственного в то время индикатора электрического тока.
Схема установки Ленца состояла в следующем. На столе укреплялся постоянный магнит М с якорем А, имеющим обмотку, электрически соединенную с мультипликатором В. Показания мультипликатора можно было наблюдать через оптическую трубу Т с помощью зеркала С (рис. 1).
Баллистический метод измерения Ленца лежит в основе современного баллистического гальванометра. Вочного прибора для измерения переменных токов – электродинамометра Вебера, что позволило Ленцу еще в 30-х годах сделать ряд важнейших открытий.
В результате тщательного анализа экспериментов Ленц сделал ряд обобщений и выводов, которые позднее получили всеобщее признание и дальнейшее развитие, в частности в трудах Максвелла.
Он установил, что возникновение индуктированного тока зависит от скорости «отрывания» катушки от магнита; что электродвижущая сила, возбуждаемая в катушке, пропорциональна числу витков и равна сумме электродвижущих сил, возбуждаемых в каждом витке; при этом она не зависит от материала и диаметра обмотки якоря. Закономерности, впервые установленные Ленцем, явились важными количественными характеристиками явления электромагнитной индукции. Он первым использовал свои выводы для практических целей: вывел формулу для расчета обмотки электромагнитного генератора.
Заметим, что издатель известного в те годы журнала «Poggеndorff’s Annalen» не рискнул опубликовать столь необычные и смелые выводы Ленца, они были напечатаны в мемуарах Академии наук (1833).
Но наиболее выдающимся открытием Ленца стал закон о направлении индуктированного тока, носящий его имя (именно «закон», а не «правило», как иногда его называют).
После открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции он и ряд других ученых предложили мнемонические и довольно сложные «правила», позволяющие в частных случаях определять направление индуктированного тока.
Внимательно изучив все работы в этой области, Ленц в 1832 г. поставил ряд оригинальных опытов, а в ноябре 1833-го выступил в Академии наук с докладом «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Поскольку в литературе нередко неточно, а иногда и ошибочно формулируется закон Ленца, приводим первоначальный текст из его доклада. «Если металлический проводник движется вблизи электрического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону» (курсив наш – Я.Ш., рис. 2).
В этой работе Ленц писал: «По прочтении статьи Фарадея я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то будут определены и первые; это мое представление оправдалось на ряде опытов».
Заслуга Ленца заключается не только в том, что он сформулировал общий закон о направлении индуктированного тока, но и – что не менее важно – убедительно доказал справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. (Термин «энергия» впервые был введен в 1853 г. английским ученым Ренкиным.)
Действительно, если перемещать под действием внешней силы магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводникаическая энергия перемещения магнита или проводника с током превращается в электромагнитную энергию тока индукции.
И главное: по закону Ленца направление индуктированного тока таково, что вызываемая им сила препятствует движению, которым он был вызван, т. е. в присутствии магнита или проводника с током требуется бо’льшая затрата энергии, чем в их отсутствие. И эта часть механической энергии переходит в электромагнитную энергию индуктированного тока.
Закон Ленца был установлен за восемь лет до опубликования первой работы немецкого ученого Р. Майера, который считается одним из основоположников закона сохранения и превращения энергии. Поэтому Ленцу принадлежит заслуга в закладке основ этого фундаментального закона природы. В 1845 г. немецкий физик Ф. Нейман впервые математически сформулировал теорию индукции и предложил выражение для электродвижущей силы индукции, подтверждающее закон Ленца.
В истории науки и техники не так уж часто встречаются примеры, когда одному ученому удается осуществить не только фундаментальные теоретические исследования, но и указать пути их практического применения.
Таким ученым был Э.Х. Ленц. На основе открытого закона он впервые формулирует принцип обратимости электрических машин (1833), а в 1838 г. экспериментально подтверждает его с помощью генератора, обращенного им в двигатель.
Только четверть века спустя это открытие Ленца получило практическое применение и явилось одним из поворотных этапов в развитии электротехники и электромеханики. Заметим, что в отдельных источниках неверно указывается, будто обратимость электрических машин Ленц установил при совместной работе с Б.С. Якоби. Это удалось сделать еще за четыре года до приезда Якоби в Петербург.
Выдающиеся заслуги Э.Х. Ленца в области геофизики и электродинамики получили всеобщее признание и высокую оценку Академии наук: в сентябре 1834 года он избирается в число ординарных академиков по физике.
Труды Ленца, печатавшиеся в отечественных и зарубежных изданиях, были широко известны среди физиков всего мира. С ними был хорошо знаком и Б.С. Якоби, еще до приезда в Россию построивший оригинальную модель электродвигателя.
По предложению Ленца и других русских ученых Б.С. Якоби получил правительственное приглашение в Петербург для продолжения исследований в области электромагнетизма и практического применения изобретенного им электродвигателя. Ленц помог опубликовать сообщение о работах Якоби в трудах Академии наук.
Юный путешественник и изобретатель
Эмилий Христианович Ленц родился (12) 24 февраля 1804 г. в семье обер-секретаря магистрата г. Тарту (Эстония). Этот город был основан в 1030 г. русским князем Ярославом Мудрым и назывался Юрьевом. После захвата прибалтийских земель немецкими крестоносцами город переименовали в Дерпт. Так он назывался почти до конца XIX в. (хотя и был возвращен России), а затем – как и в нотца семья оказалась в тяжелом материальном положении и матери Ленца пришлось приложить немало усилий, чтобы дать двум сыновьям высшее образование.
По окончании с отличием гимназии в 1820 г., где Э.Х. Ленц серьезно увлекся естественными науками и математикой, он поступает на естественный факультет Дерптского университета – одного из старейших научных центров России. В университете благодаря усилиям его первого ректора, профессора физики Е.И. Паррота был создан один из лучших в стране физических кабинетов. Паррот привлек Ленца к работе в этом кабинете, чем в значительной степени определил будущую деятельность способного студента.
В 1823 г. по счастливой случайности Ленцу удалось заняться любимым делом.
Адмиралтейство обратилось к профессору Парроту с просьбой подобрать способных студентов для проведения научных наблюдений в области «физики, геологии и астрономии» на шлюпе, отправлявшемся в кругосветное плавание под командованием контр-адмирала Крузенштерна. Ленц был назначен физиком экспедиции и должен был производить наблюдения на море и на суше (измерять глубины и температуру моря, изучать свойства морской воды, определять влажность воздуха, наблюдать за атмосферными явлениями, извержением вулканов, исследовать магнитное склонение и т. д.).
При поддержке Паррота Ленц конструирует специально для экспедиции два прибора – глубомер и батометр (для взятия проб воды и измерения температур на разных глубинах). Отметим, что преимущества батометра Ленца были по достоинству оценены лишь во второй половине XIX в. А известный адмирал С.О.
Макаров писал в 1894 г., что из всех «… способов доставления воды с больших глубин я признаю самым лучшим тот способ, который употреблял Ленц в 1824–26 гг.».
В течение трех лет экспедиции почти все измерения Ленц производил лично и вручную, но он сумел получить точные и интересные данные. Ему удавалось даже находить время для занятий физикой и математикой, изучить их в объеме университетских курсов.
По возвращении из путешествия в июле 1826 г. Ленц готовил отчет о наблюдениях. Доклад о результатах экспериментов во время экспедиции, продемонстрировавший его незаурядные способности физика-экспериментатора, притом активно использовавшего математический аппарат для анализа и обобщений, был представлен в Академию наук в 1828 г. и получил высочайшую оценку специальной комиссии. Ленц был избран адъюнктом Академии по физике (в постановлении отмечалось, что он, будучи «российским уроженцем», во всех отношениях «заслужил такого избрания»).
Весной 1829 г. Ленц снова предпринимает интересное путешествие. На этот раз в составе научной экспедиции Академии наук на Эльбрус. Ему были поручены магнитные и гравитационные наблюдения. В июне 1829 г. Ленц участвовал в восхождении на вершину Эльбруса и, не дойдя до нее лишь 600 футов, впервые произвел с помощью барометра метеорологические наблюдения, позволившие определить высоту Эльбруса.
По возвращении с о моря, в Баку и Астрахани. В частности, он наблюдал выходящие на поверхность горючие газы, взял их образцы, а также образцы нефти. Результаты наблюдений, в особенности описания нефтяных богатств Апшеронского полуострова, были отмечены Академией наук. Небезынтересно отметить, что еще за два месяца до возвращения экспедиции Э.Х. Ленц в 1830 г. заочно избирается экстраординарным академиком. Ему было всего 26 лет!
Большой вклад в теорию электрических машин внесли исследования Ленца (1845–47 гг.), доказавшего зависимость генерируемого тока от скорости вращения якоря. Он открыл явление «реакции якоря» и не только объяснил его, но и предложил практический способ ослабления этого явления путем сдвига щеток с нейтральной линии машины.
В современной электроизмерительной технике широкое применение получил осциллограф. Но далеко не всем известно, что задолго до изобретения этого прибора Ленц сконструировал специальный коммутатор, с помощью которого впервые снял фазовые кривые тока намагничивания, изображенные им в виде синусоид.
Совместно с академиком Б.С. Якоби Ленц провел важные для практической электротехники исследования законов намагничивания железа, стремясь получить «более глубокое представление о скорости, с которой железо воспринимает магнетизм». Высокую оценку современников получили работы Ленца и Якоби «О законах электромагнитов» и «О притяжении электромагнитов». Только через 30 с лишним лет были опубликованы результаты исследований А.Г. Столетова, развивавшие работы Якоби и Ленца по магнетизму и давшие более точные методы расчета магнитных цепей.
Диапазон научных интересов Ленца был поразителен. Один из изобретателей в области электромедицины столкнулся с трудностями при подключении нескольких больных в параллельные цепи источника. Узнав об этом, Ленц в 1844 г. вывел формулу для определения тока в любой из параллельно соединенных ветвей, содержащих источники электродвижущих сил. Он по праву является предшественником немецкого ученого Г. Кирхгофа, установившего в 1847 г. два закона электрических цепей, носящих его имя.
Закон теплового действия тока
Электромагнитное действие тока было не единственной сферой «электротехнических» интересов Ленца. Не менее значимые работы принадлежат ему и в исследованиях теплового действия электрического тока. К закону теплового действия тока Ленц пришел независимо от исследований английского физика
Д.П. Джоуля. Еще в 1832–1833 гг. ученый обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость существенно изменяется. Это осложняло расчет электрических цепей. Определить количественную зависимость между током и выделяемой им теплотой было невозможно, так как не было ни точных приборов для измерения тока, ни источника постоянной электродвижущей силы, ни надежного метода измерения сопротивления. Ленц использовал свои собственные или усовершенствованные им измерительные приборы и особенно тщательноиографов ученого, его «схема была собрана по последнему слову техники того времени».
Ленц предложил «свои» единицы тока и напряжения. Он же сконструировал прибор-сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла. В сосуд заливался разбавленный спирт, обладающий значительно меньшей электропроводностью, чем вода, использованная в опытах Джоуля. Через платиновую проволоку пропускался ток. Ученый провел большую серию опытов, при которых измерялось время, необходимое для нагревания жидкости на 10С.
В 1843 г. Ленц опубликовал закон, сформулированный следующим образом: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».
Джоуль опубликовал открытый им аналогичный закон в 1841 г. Реакция Ленца была по-научному корректной. Он подчеркнул, что, хотя его результаты «в основном совпадают с результатами Джоуля, они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля». Джоуль выполнил значительно меньше измерений и пользовался прибором, дававшим ряд погрешностей. Поэтому закон о тепловом действии тока благодаря исключительной точности и обстоятельности измерений Ленца вошел в историю науки под названием «закон Джоуля–Ленца».
Мастерство Ленца как блестящего экспериментатора проявилось и при убедительной проверке справедливости экспериментов французского физика Пельтье, открывшего в 1834 г. новое явление, названное впоследствии «эффектом Пельтье». Если через спай двух разнородных металлов пропустить электрический ток, то в спае происходит либо выделение, либо поглощение тепла в зависимости от направления тока. Собственными экспериментами Ленц подтвердил выводы Пельтье. Пропустив ток через спай висмута и сурьмы, он заморозил воду, окружавшую спай.
Исследования Ленца затронули также электрохимические явления: он изучал, в частности, поляризацию электродов. Ему удалось установить зависимость ЭДС поляризации от материала электродов и соприкасающейся с ними жидкости.
Ученый и педагог
Почти 30 лет жизни Ленц посвятил педагогической работе в Петербургском университете, где благодаря его усилиям зародилась и получила мировое признание Петербургская физико-математическая школа. В 1856–1859 гг. он замещал должность ректора университета, а в 1863-м стал первым избранным ректором. Ему принадлежит заслуга в коренной реорганизации преподавания физико-математических дисциплин, способствовавшей их подлинному расцвету.
По отзывам многочисленных учеников, ставших крупными учеными и педагогами, лекции Ленца отличались высочайшим научным уровнем и педагогическим мастерством, четкостью формулировок и доступностью изложения сложных физических явлений.
По словам одного из его учеников, «… любимой же его специальностью было чтение курса об электричестве, магнетизме и гальванизме по собственным запискам, сопровождавшееся опытами, которые всегда были удачны».
Физичесал брать некоторые приборы для занятий дома, и «… вообще никому, кто действительно хотел работать, не отказывал ни в советах, ни в средствах». В те годы ни в одном европейском университете не практиковались лабораторные занятия студентов. Первенство в этом начинании принадлежит одному из самых талантливых учеников Ленца Ф.Ф. Петрушевскому, который ввел в 1866 г. в университете такие занятия.
Как писали биографы Ленца, «многочисленные ученики Ленца и ученики его учеников создали тот передовой отряд русских физиков, которые вместе с другими физиками прославили нашу Родину многочисленными выдающимися открытиями. Впоследствии они создали ядро Русского физического общества, организованного в 1872 г. при Петербургском университете».
Кроме университета, Ленц преподавал физику в Михайловском артиллерийском училище и в Главном педагогическом институте. Среди его учеников в пединституте был гениальный химик и физик Д.И. Менделеев. По свидетельству его биографов, Ленц как ученый и личность оказал заметное влияние на формирование мировоззрения Менделеева.
Выдающиеся заслуги Ленца получили высокую оценку в России и за рубежом. Уже в 1840 г. Гельсингфорский университет присвоил Ленцу ученую степень доктора философии, он был избран членом-корреспондентом Академии наук в Турине и Берлинской академии наук, почетным членом ряда научных обществ в странах Европы.
Наиболее известные ученики Ленца сыграли важную роль в распространении и дальнейшем развитии учения Фарадея–Ленца–Максвелла, в утверждении представлений о неразрывном единстве электрических и магнитных полей.
Признанный основоположник ленинградской электротехнической школы ХХ в. академик В.Ф. Миткевич был одним из лучших учеников профессора Петрушевского и по праву может называться продолжателем традиций Э.Х. Ленца.
Своими трудами в области физики и электрических измерений Э.Х. Ленц навсегда прославил свое имя как одного из корифеев науки XIX в.
www.ronl.ru
Ян Шнейберг
В развитии современных средств связи основополагающую роль сыграли открытия в области электромагнетизма, сделанные в XIX в. учеными разных стран – М. Фарадеем, Д.К. Максвеллом, Г. Герцем.
После открытия Фарадея многие явления, связанные с электромагнитной индукцией, оставались недостаточно ясными.
Не существовало точных приборов и методов измерения электрических и магнитных величин, в частности индуктированных токов. Не было закона о направлении этих токов, не были установлены и количественные характеристики явления электромагнитной индукции.
Эти и другие сложные физические проблемы были успешно разрешены выдающимся отечественным физиком, петербургским академиком Э.Х. Ленцем.
Имя Э.Х. Ленца, как и имена выдающихся ученых М. Фарадея, А.М. Ампера, Г.С. Ома, известно каждому образованному человеку еще со школьной скамьи. Фундаментальные исследования Ленца в области физики и электромагнетизма принесли ему мировую славу. Он по праву считается одним из основателей учения об электрических и магнитных явлениях.
Открытие закона ЛенцаНесмотря на то что первые научные исследования Ленца относились в основном к области геофизики, его наиболее выдающиеся открытия связаны с изучением электромагнитных явлений. Особый интерес к этим явлениям объясняется, видимо, заметной активизацией научных исследований в области электромагнетизма, связанной с обнаружением электродинамических явлений, открытием важнейших законов Ампером и Омом. Будучи незаурядным экспериментатором, Ленц не мог не убедиться в справедливости открытых законов, тем более что еще не существовало точных приборов и методов измерений электрических и магнитных величин, не было также общепризнанных единиц измерения и эталонов и даже закон Ома многими физиками ставился под сомнение.
Имея немалый опыт работы с крутильными весами Кулона, которые использовались в процессе экспериментов, уже в ноябре 1832 года Ленц подтвердил справедливость закона Ома, что способствовало признанию этого закона физиками разных стран.
Первым важнейшим изобретением Ленца была разработка баллистического метода измерений для изучения законов индукции. В 1832 г., узнав об открытии Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц приступил к экспериментам с целью установления количественных законов индукции. Он считал, что «сила мгновенного тока индукции» действует подобно удару, причем сила этого удара может быть измерена по скорости, сообщаемой стрелке мультипликатора – единственного в то время индикатора электрического тока.
Схема установки Ленца состояла в следующем. На столе укреплялся постоянный магнит М с якорем А, имеющим обмотку, электрически соединенную с мультипликатором В. Показания мультипликатора можно было наблюдать через оптическую трубу Т с помощью зеркала С (рис. 1).
Баллистический метод измерения Ленца лежит в основе современного баллистического гальванометра. Вочного прибора для измерения переменных токов – электродинамометра Вебера, что позволило Ленцу еще в 30-х годах сделать ряд важнейших открытий.
В результате тщательного анализа экспериментов Ленц сделал ряд обобщений и выводов, которые позднее получили всеобщее признание и дальнейшее развитие, в частности в трудах Максвелла.
Он установил, что возникновение индуктированного тока зависит от скорости «отрывания» катушки от магнита; что электродвижущая сила, возбуждаемая в катушке, пропорциональна числу витков и равна сумме электродвижущих сил, возбуждаемых в каждом витке; при этом она не зависит от материала и диаметра обмотки якоря. Закономерности, впервые установленные Ленцем, явились важными количественными характеристиками явления электромагнитной индукции. Он первым использовал свои выводы для практических целей: вывел формулу для расчета обмотки электромагнитного генератора.
Заметим, что издатель известного в те годы журнала «Poggеndorff’s Annalen» не рискнул опубликовать столь необычные и смелые выводы Ленца, они были напечатаны в мемуарах Академии наук (1833).
Но наиболее выдающимся открытием Ленца стал закон о направлении индуктированного тока, носящий его имя (именно «закон», а не «правило», как иногда его называют).
После открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции он и ряд других ученых предложили мнемонические и довольно сложные «правила», позволяющие в частных случаях определять направление индуктированного тока.
Внимательно изучив все работы в этой области, Ленц в 1832 г. поставил ряд оригинальных опытов, а в ноябре 1833-го выступил в Академии наук с докладом «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Поскольку в литературе нередко неточно, а иногда и ошибочно формулируется закон Ленца, приводим первоначальный текст из его доклада. «Если металлический проводник движется вблизи электрического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону» (курсив наш – Я.Ш., рис. 2).
В этой работе Ленц писал: «По прочтении статьи Фарадея я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то будут определены и первые; это мое представление оправдалось на ряде опытов».
Заслуга Ленца заключается не только в том, что он сформулировал общий закон о направлении индуктированного тока, но и – что не менее важно – убедительно доказал справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. (Термин «энергия» впервые был введен в 1853 г. английским ученым Ренкиным.)
Действительно, если перемещать под действием внешней силы магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводникаическая энергия перемещения магнита или проводника с током превращается в электромагнитную энергию тока индукции.
И главное: по закону Ленца направление индуктированного тока таково, что вызываемая им сила препятствует движению, которым он был вызван, т. е. в присутствии магнита или проводника с током требуется бо’льшая затрата энергии, чем в их отсутствие. И эта часть механической энергии переходит в электромагнитную энергию индуктированного тока.
Закон Ленца был установлен за восемь лет до опубликования первой работы немецкого ученого Р. Майера, который считается одним из основоположников закона сохранения и превращения энергии. Поэтому Ленцу принадлежит заслуга в закладке основ этого фундаментального закона природы. В 1845 г. немецкий физик Ф. Нейман впервые математически сформулировал теорию индукции и предложил выражение для электродвижущей силы индукции, подтверждающее закон Ленца.
В истории науки и техники не так уж часто встречаются примеры, когда одному ученому удается осуществить не только фундаментальные теоретические исследования, но и указать пути их практического применения.
Таким ученым был Э.Х. Ленц. На основе открытого закона он впервые формулирует принцип обратимости электрических машин (1833), а в 1838 г. экспериментально подтверждает его с помощью генератора, обращенного им в двигатель.
Только четверть века спустя это открытие Ленца получило практическое применение и явилось одним из поворотных этапов в развитии электротехники и электромеханики. Заметим, что в отдельных источниках неверно указывается, будто обратимость электрических машин Ленц установил при совместной работе с Б.С. Якоби. Это удалось сделать еще за четыре года до приезда Якоби в Петербург.
Выдающиеся заслуги Э.Х. Ленца в области геофизики и электродинамики получили всеобщее признание и высокую оценку Академии наук: в сентябре 1834 года он избирается в число ординарных академиков по физике.
Труды Ленца, печатавшиеся в отечественных и зарубежных изданиях, были широко известны среди физиков всего мира. С ними был хорошо знаком и Б.С. Якоби, еще до приезда в Россию построивший оригинальную модель электродвигателя.
По предложению Ленца и других русских ученых Б.С. Якоби получил правительственное приглашение в Петербург для продолжения исследований в области электромагнетизма и практического применения изобретенного им электродвигателя. Ленц помог опубликовать сообщение о работах Якоби в трудах Академии наук.
Юный путешественник и изобретатель
Эмилий Христианович Ленц родился (12) 24 февраля 1804 г. в семье обер-секретаря магистрата г. Тарту (Эстония). Этот город был основан в 1030 г. русским князем Ярославом Мудрым и назывался Юрьевом. После захвата прибалтийских земель немецкими крестоносцами город переименовали в Дерпт. Так он назывался почти до конца XIX в. (хотя и был возвращен России), а затем – как и в нотца семья оказалась в тяжелом материальном положении и матери Ленца пришлось приложить немало усилий, чтобы дать двум сыновьям высшее образование.
По окончании с отличием гимназии в 1820 г., где Э.Х. Ленц серьезно увлекся естественными науками и математикой, он поступает на естественный факультет Дерптского университета – одного из старейших научных центров России. В университете благодаря усилиям его первого ректора, профессора физики Е.И. Паррота был создан один из лучших в стране физических кабинетов. Паррот привлек Ленца к работе в этом кабинете, чем в значительной степени определил будущую деятельность способного студента.
В 1823 г. по счастливой случайности Ленцу удалось заняться любимым делом.
Адмиралтейство обратилось к профессору Парроту с просьбой подобрать способных студентов для проведения научных наблюдений в области «физики, геологии и астрономии» на шлюпе, отправлявшемся в кругосветное плавание под командованием контр-адмирала Крузенштерна. Ленц был назначен физиком экспедиции и должен был производить наблюдения на море и на суше (измерять глубины и температуру моря, изучать свойства морской воды, определять влажность воздуха, наблюдать за атмосферными явлениями, извержением вулканов, исследовать магнитное склонение и т. д.).
При поддержке Паррота Ленц конструирует специально для экспедиции два прибора – глубомер и батометр (для взятия проб воды и измерения температур на разных глубинах). Отметим, что преимущества батометра Ленца были по достоинству оценены лишь во второй половине XIX в. А известный адмирал С.О.
Макаров писал в 1894 г., что из всех «… способов доставления воды с больших глубин я признаю самым лучшим тот способ, который употреблял Ленц в 1824–26 гг.».
В течение трех лет экспедиции почти все измерения Ленц производил лично и вручную, но он сумел получить точные и интересные данные. Ему удавалось даже находить время для занятий физикой и математикой, изучить их в объеме университетских курсов.
По возвращении из путешествия в июле 1826 г. Ленц готовил отчет о наблюдениях. Доклад о результатах экспериментов во время экспедиции, продемонстрировавший его незаурядные способности физика-экспериментатора, притом активно использовавшего математический аппарат для анализа и обобщений, был представлен в Академию наук в 1828 г. и получил высочайшую оценку специальной комиссии. Ленц был избран адъюнктом Академии по физике (в постановлении отмечалось, что он, будучи «российским уроженцем», во всех отношениях «заслужил такого избрания»).
Весной 1829 г. Ленц снова предпринимает интересное путешествие. На этот раз в составе научной экспедиции Академии наук на Эльбрус. Ему были поручены магнитные и гравитационные наблюдения. В июне 1829 г. Ленц участвовал в восхождении на вершину Эльбруса и, не дойдя до нее лишь 600 футов, впервые произвел с помощью барометра метеорологические наблюдения, позволившие определить высоту Эльбруса.
По возвращении с о моря, в Баку и Астрахани. В частности, он наблюдал выходящие на поверхность горючие газы, взял их образцы, а также образцы нефти. Результаты наблюдений, в особенности описания нефтяных богатств Апшеронского полуострова, были отмечены Академией наук. Небезынтересно отметить, что еще за два месяца до возвращения экспедиции Э.Х. Ленц в 1830 г. заочно избирается экстраординарным академиком. Ему было всего 26 лет!
Большой вклад в теорию электрических машин внесли исследования Ленца (1845–47 гг.), доказавшего зависимость генерируемого тока от скорости вращения якоря. Он открыл явление «реакции якоря» и не только объяснил его, но и предложил практический способ ослабления этого явления путем сдвига щеток с нейтральной линии машины.
В современной электроизмерительной технике широкое применение получил осциллограф. Но далеко не всем известно, что задолго до изобретения этого прибора Ленц сконструировал специальный коммутатор, с помощью которого впервые снял фазовые кривые тока намагничивания, изображенные им в виде синусоид.
Совместно с академиком Б.С. Якоби Ленц провел важные для практической электротехники исследования законов намагничивания железа, стремясь получить «более глубокое представление о скорости, с которой железо воспринимает магнетизм». Высокую оценку современников получили работы Ленца и Якоби «О законах электромагнитов» и «О притяжении электромагнитов». Только через 30 с лишним лет были опубликованы результаты исследований А.Г. Столетова, развивавшие работы Якоби и Ленца по магнетизму и давшие более точные методы расчета магнитных цепей.
Диапазон научных интересов Ленца был поразителен. Один из изобретателей в области электромедицины столкнулся с трудностями при подключении нескольких больных в параллельные цепи источника. Узнав об этом, Ленц в 1844 г. вывел формулу для определения тока в любой из параллельно соединенных ветвей, содержащих источники электродвижущих сил. Он по праву является предшественником немецкого ученого Г. Кирхгофа, установившего в 1847 г. два закона электрических цепей, носящих его имя.
Закон теплового действия тока
Электромагнитное действие тока было не единственной сферой «электротехнических» интересов Ленца. Не менее значимые работы принадлежат ему и в исследованиях теплового действия электрического тока. К закону теплового действия тока Ленц пришел независимо от исследований английского физика
Д.П. Джоуля. Еще в 1832–1833 гг. ученый обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость существенно изменяется. Это осложняло расчет электрических цепей. Определить количественную зависимость между током и выделяемой им теплотой было невозможно, так как не было ни точных приборов для измерения тока, ни источника постоянной электродвижущей силы, ни надежного метода измерения сопротивления. Ленц использовал свои собственные или усовершенствованные им измерительные приборы и особенно тщательноиографов ученого, его «схема была собрана по последнему слову техники того времени».
Ленц предложил «свои» единицы тока и напряжения. Он же сконструировал прибор-сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла. В сосуд заливался разбавленный спирт, обладающий значительно меньшей электропроводностью, чем вода, использованная в опытах Джоуля. Через платиновую проволоку пропускался ток. Ученый провел большую серию опытов, при которых измерялось время, необходимое для нагревания жидкости на 10С.
В 1843 г. Ленц опубликовал закон, сформулированный следующим образом: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».
Джоуль опубликовал открытый им аналогичный закон в 1841 г. Реакция Ленца была по-научному корректной. Он подчеркнул, что, хотя его результаты «в основном совпадают с результатами Джоуля, они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля». Джоуль выполнил значительно меньше измерений и пользовался прибором, дававшим ряд погрешностей. Поэтому закон о тепловом действии тока благодаря исключительной точности и обстоятельности измерений Ленца вошел в историю науки под названием «закон Джоуля–Ленца».
Мастерство Ленца как блестящего экспериментатора проявилось и при убедительной проверке справедливости экспериментов французского физика Пельтье, открывшего в 1834 г. новое явление, названное впоследствии «эффектом Пельтье». Если через спай двух разнородных металлов пропустить электрический ток, то в спае происходит либо выделение, либо поглощение тепла в зависимости от направления тока. Собственными экспериментами Ленц подтвердил выводы Пельтье. Пропустив ток через спай висмута и сурьмы, он заморозил воду, окружавшую спай.
Исследования Ленца затронули также электрохимические явления: он изучал, в частности, поляризацию электродов. Ему удалось установить зависимость ЭДС поляризации от материала электродов и соприкасающейся с ними жидкости.
Ученый и педагогПочти 30 лет жизни Ленц посвятил педагогической работе в Петербургском университете, где благодаря его усилиям зародилась и получила мировое признание Петербургская физико-математическая школа. В 1856–1859 гг. он замещал должность ректора университета, а в 1863-м стал первым избранным ректором. Ему принадлежит заслуга в коренной реорганизации преподавания физико-математических дисциплин, способствовавшей их подлинному расцвету.
По отзывам многочисленных учеников, ставших крупными учеными и педагогами, лекции Ленца отличались высочайшим научным уровнем и педагогическим мастерством, четкостью формулировок и доступностью изложения сложных физических явлений.
По словам одного из его учеников, «… любимой же его специальностью было чтение курса об электричестве, магнетизме и гальванизме по собственным запискам, сопровождавшееся опытами, которые всегда были удачны».
Физичесал брать некоторые приборы для занятий дома, и «… вообще никому, кто действительно хотел работать, не отказывал ни в советах, ни в средствах». В те годы ни в одном европейском университете не практиковались лабораторные занятия студентов. Первенство в этом начинании принадлежит одному из самых талантливых учеников Ленца Ф.Ф. Петрушевскому, который ввел в 1866 г. в университете такие занятия.
Как писали биографы Ленца, «многочисленные ученики Ленца и ученики его учеников создали тот передовой отряд русских физиков, которые вместе с другими физиками прославили нашу Родину многочисленными выдающимися открытиями. Впоследствии они создали ядро Русского физического общества, организованного в 1872 г. при Петербургском университете».
Кроме университета, Ленц преподавал физику в Михайловском артиллерийском училище и в Главном педагогическом институте. Среди его учеников в пединституте был гениальный химик и физик Д.И. Менделеев. По свидетельству его биографов, Ленц как ученый и личность оказал заметное влияние на формирование мировоззрения Менделеева.
Выдающиеся заслуги Ленца получили высокую оценку в России и за рубежом. Уже в 1840 г. Гельсингфорский университет присвоил Ленцу ученую степень доктора философии, он был избран членом-корреспондентом Академии наук в Турине и Берлинской академии наук, почетным членом ряда научных обществ в странах Европы.
Наиболее известные ученики Ленца сыграли важную роль в распространении и дальнейшем развитии учения Фарадея–Ленца–Максвелла, в утверждении представлений о неразрывном единстве электрических и магнитных полей.
Признанный основоположник ленинградской электротехнической школы ХХ в. академик В.Ф. Миткевич был одним из лучших учеников профессора Петрушевского и по праву может называться продолжателем традиций Э.Х. Ленца.
Своими трудами в области физики и электрических измерений Э.Х. Ленц навсегда прославил свое имя как одного из корифеев науки XIX в.
www.ronl.ru
