Страница 18 из 20
Помимо главного закона сохранения и превращения в каждом разделе физики есть еще несколько основных законов. Скажем, в механике это закон Архимеда, закон всемирного тяготения, законы Ньютона и т. д. В электричестве и магнетизме – законы Ома, Кулона и др. Среди них два принадлежат Э.Х. Ленцу: закон его имени (его часто называют правилом) и закон Джоуля – Ленца, открытый в начале 1840-х гг. экспериментальным путем независимо друг от друга обоими учеными. Ленц получил и интерпретировал результаты раньше Дж. Джоуля, и благодаря более совершенному методу они у него были точнее, но английский физик опередил русского с публикацией. Тут уж ничего не поделаешь – такова планида у русских ученых! Есть у Ленца и два «довесочка»: в законе электромагнитной индукции Фарадея по закону Ленца определяется знак электродвижущей силы (ЭДС); а еще Эмилий Христианович первым обратил внимание на закон Ома и всячески содействовал его признанию.
Э.Х. Ленц
После открытия датским ученым Х.К. Эрстедом в 1820 г. электромагнетизма (электродинамики), ученые разных стран – А. Ампер, М. Фарадей, Д.К. Максвелл, Г. Герц и др. – добились в новой области науки впечатляющих достижений. Однако из-за отсутствия точных приборов, а также методов измерения электрических и магнитных величин в формулах и теориях зачастую не было и однозначных трактовок. В частности, отсутствовала количественная характеристика электромагнитной индукции (явления возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него), не было правила (исключая несколько мнемонических), определяющего направление индуктированных токов, и др. Большую часть этих сложных физических проблем разрешил один из лучших экспериментаторов своего времени Э.Х. Ленц.
В 1833 г. ученый представил Петербургской АН доклад «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», в котором указал на различное толкование Фарадеем индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае магнитоэлектрической индукции и объявил, что в обоих случаях действует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, 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».
Теоретические выкладки подкреплялись блестящими экспериментами, показывающими, что индукционный ток всегда противодействует изменению, порождающему его. С тех пор правило Ленца, предписывая направление движения индукционного тока, действует в электромагнитной индукции, как правила уличного движения на городских улицах.
Выводя свое правило, Ленц впервые обосновал и справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Перемещая магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника, ученый показал, что механическая энергия этого перемещения превращается в электромагнитную энергию тока индукции. «Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике», – заметил физик. Закон сохранения и превращения энергии в его современном виде был открыт лишь через восемь лет после доклада Ленца немецким физиком Р. Майером.
Работы Ленца в этом направлении позволили ему впервые сформулировать в 1833 г. фундаментальный принцип обратимости электрических машин. Экспериментально доказав обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин, физик совершил настоящий переворот в развитии электротехники.
Не менее значительны исследования Ленцем теплового действия электрического тока. В 1832 г. ученый впервые обратил внимание на изменение проводимости нагреваемых металлических проводников. Сконструировав прибор для измерения количества тепла, выделяемого при прохождении тока в платиновой проволоке, ученый провел большую серию опытов, позволивших ему сформулировать в 1843 г. новый закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Как уже было сказано, Джоуль, проводя аналогичные эксперименты, выполнил гораздо меньше измерений и пользовался менее точным прибором. Научное сообщество не стало мелочиться и отдало приоритет в открытии закона обоим ученым.
Закон Джоуля – Ленца определяет количество тепла Q , выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I в цепи и времени прохождения тока t:
Q = aI2Rt,
где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц измерения.
Сфера применения закона обширна. На нем основан расчет всех электрических цепей и электронных схем, электроосветительных установок, нагревательных и отопительных электроприборов.
Согласно закону, для уменьшения тепловых потерь в линиях электропередач повышают передаваемое напряжение, что снижает силу тока, а значит, и нагрев провода. Чтобы проводник чрезмерно не разогревался и не стал источником пожара, ввели нормы расчета сечений проводов.
На принципе разогрева проводника при увеличении его электрического сопротивления устроены все электронагревательные приборы, нагревательные элементы которых изготавливают из специальных тугоплавких сплавов с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан) и по возможности большой длины и малого сечения провода.
Для защиты электрических цепей от протекания токов высокой силы используют электрические (плавкие) одноразовые предохранители относительно малого сечения из легкоплавкого сплава. При перегрузке в сети и при коротком замыкании тока эти проводники расплавляются и размыкают цепь, предохраняя ее от перегрева и возгорания.
ПОТОК ЭНЕРГИИ УМОВА
Физик, философ, педагог, лектор, пропагандист, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Новороссийского и Московского университетов, Московского технического училища; почетный доктор Глазговского университета; основатель (совместно с П.Н. Лебедевым) Физического института при Московском университете; президент Московского общества испытателей природы, председатель Московского педагогического общества, товарищ председателя Общества содействия успехам опытных наук и практических применений им. Х.С. Леденцова; издатель и главный редактор журнала «Научное слово», Николай Алексеевич Умов (1846–1915) является автором учения о движении энергии в телах, базового понятия в новейшей физике – потока энергии, т. н. вектора Умова. Умов – первооткрыватель классической формулы общего уравнения движения энергии.
Человечество с каждым годом все больше нуждается в энергии – механической, тепловой, химической, электрической, ядерной. Все эти формы энергии, трансформируясь друг в друга, дают совокупность энергетических процессов, без которых не обойтись ни обывателям, ни ученым. Последних всегда интересовал вопрос – каким образом происходит эта трансформация и как повысить ее КПД? Схематично это выглядит так. В замкнутый объем через поверхность поступает первичная энергия, а затем выходит преобразованная (разумеется, в рамках закона сохранения энергии). Плотность потока энергии (Su) при этом ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет. Этот термин – плотность потока энергии – ввел в начале 1870-х гг. русский физик Н.А. Умов, опубликовавший несколько работ о движении энергии, в которых развил представления о плотности энергии в данной точке среды, скорости и направлении движения энергии, о локализации потока энергии в пространстве.