Магнитное действие тока кто открыл. Изучение электрического тока и его действия. Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции
Открытие гальванического элемента было важным этапом в развитии физики. С этого времени начинают изучать электрический ток и его действия.
Первые исследования были посвящены изучению химического действия тока. При этом была установлена тесная связь электрических и химических явлений.
В 1800 году англичане Никольсон и Карлейль разложили воду с помощью электрического тока на водород и кислород, а в 1807 году английский химик Хемфри Дэви (1778-1829), разлагая электрическим током едкие щелочи, открыл новые элементы - калий и натрий, а в следующем году - кальций.
В первые два десятилетия XIX века были получены результаты и в изучении теплового и светового действий тока, а также первые результаты в установлении законов постоянного тока.
Ряд заслуг в этом направлении принадлежит русскому физику и химику Василию Владимировичу Петрову (1761-1834).
В 1805 году он опубликовал результаты своих исследований по электричеству в книге «Известия о Гальвани – Вольтовых опытах». Источником электрического тока в опытах Петрова служила огромная для того времени гальваническая батарея. Построенная им батарея, состояла из 4200 цинковых и медных кружков, которые были уложены горизонтально в четыре ряда в деревянном ящике и разделялись бумажными прокладками, пропитанными нашатырем.
Петров проделал много опытов, изучая химическое, а также тепловое действие электрического тока. В одном из опытов он впервые наблюдал электрическую дугу.
Изучая химическое, тепловое и другие действия тока, Петров сделал некоторые выводы, относящиеся к законам постоянного тока. Так, например, он считал, что проводники обладают различной проводимостью и что свойства проводника определяют вместе с особенностями самой батареи действие тока в цепи. При этом он подчеркивал, что чем больше сечение проводника, тем сильнее действие «Гальвани – Вольтовской жидкости».
Исследования Петрова не были известны за границей. Частично это объясняется тем, что все свои работы Петров печатал только на русском языке. Поэтому, в частности, приоритет открытия электрической дуги был полностью приписан Дэви, опубликовавшему свои опыты с электрической дугой в 1812 году.
Исследовать магнитное действие электрического тока начинают после открытия датским ученым Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851) действия электрического тока на магнитную стрелку.
Уже задолго до открытия Эрстеда были известны факты, указывающие на существовании связи между электричеством и магнетизмом. Еще в XVII в. были известны случаи перемагничения стрелки компаса во время ударов молнии. В XVIII в. после установления электрической природы молнии были сделаны попытки намагнитить железо, пропуская через него разряд лейденской банки, а позже- ток от гальванической батареи. Однако эти попытки не привели к каким-либо определенным результатам.
Открытие Эрстеда, сделанное им в 1819 году и опубликованное в 1820 году, заключалось в следующем. Эрстед обнаружил, что если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Величину момента силы, действующего на магнитную стрелку под влиянием электрического тока, Эрстед не определил. Он только отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от расстояния между ней и током, а также, говоря современным языком, от силы тока (во времена Эрстеда еще не было установлено понятие силы тока).
Теоретические соображения Эрстеда по поводу сделанного им открытия не отличались достаточной ясностью. Он говорил, что в окружающих точках пространства возникает «электрический конфликт», который имеет вокруг проводника вихревой характер. Статью, в которой впервые сообщалось об этом открытии, Эрстед называет «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты.
Так, Доминик Франсуа Араго (1786-1853) показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются.
Французские физики Ж.Б.Био и Ф.Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Поместив магнитную стрелку около прямолинейного проводника с током и наблюдая изменение периода колебаний этой стрелки в зависимости от расстояния до проводника, они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию.
Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон, известный под названием закона Био-Савара-Лапласа.
Новый важный результат в области электромагнетизма был получен в 1820 году французом Андре Мари Ампером (1775-1836).
К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд трудов по математике, физике и химии. Ампер чрезвычайно заинтересовался открытием Эрстеда. Прежде всего, оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить.
Ампер провел свои теоретические и экспериментальные исследования одновременно с работами Био и Савара, и даже на несколько месяцев раньше. 18 сентября 1820 году он сообщил Парижской Академии наук о своем открытии пондеромоторных взаимодействий токов, которые он назвал электродинамическими. Точнее говоря, в этом своем первом докладе Ампер назвал эти действия «вольтаическими притяжениями и отталкиваниями», но потом стал именовать их «притяжениями и отталкиваниями электрических токов». В 1822 году он ввел термин «электродинамический». Ампер был плодовитым и искусным изобретателем неологизмов. Именно ему мы обязаны такими словами, как электростатический, реофор, соленоид , и многими другими.
В конце 1820 – начале 1821 года им было сделано более десяти докладов. В них Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Ампер показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов и т. д. Он также демонстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов. Свойства магнита он объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов - взаимодействием этих токов. Сначала Ампер считал эти токи макроскопическими, несколько позже он пришел к гипотезе молекулярных токов.
В 1826 году был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов.
В заключение обзора работ Ампера следует отметить, что он ввел понятие «сила тока ». Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.
Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854).
Прежде всего, Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь.
Для измерения силы тока Ом использовал простейший гальванометр, представляющий собой крутильные весы, на нити которых была подвешена магнитная стрелка. Под стрелкой располагали проводник, включенный в цепь электрического тока. Когда по проводнику протекал электрический ток, магнитная стрелка отклонялась. Поворачивая головку крутильных весов, приводя стрелку в ее первоначальное положение, Ом измерял момент сил, действующих на маленькую стрелку. Как и Ампер, он считал, что величина этого момента пропорциональна силе тока.
Сначала Ом исследовал зависимость силы тока от длины проводника, включенного в цепь. В качестве источника тока он использовал термоэлемент, состоящий из висмута и меди, открытый Томасом Зеебеком (1170-1831) в 1821 г. Висмутовый стержень bb", имеющий форму буквы П, соединен с медными полосами. Ом нашел, что «сила магнитного действия» тока (сила тока) исследуемого проводника определяется формулой
X=a/(b+x)
где х -длина проводника, а и b - постоянные, причем a зависит от возбуждающей силы термоэлемента (erregende Kraft), а b - от особенностей всего остального участка цепи, включая и термоэлемент.
Ом затем установил, что если в цепь включен не один, а m одинаковых источников тока, то «сила магнитного действия тока »
X=ma /(mb+x)
Ом определил также, как зависит сила тока X в проводнике от его длины и поперечного сечения. Он нашел, что
X=(kw) a / L
где k - коэффициент проводимости проводника (Leitungsvermogen), w - поперечное сечение, а L - длина проводника, а - электрическое напряжение на его концах (Electrische Spannung).
Ом исследовал распределение электрического потенциала "электроскопической силы " вдоль однородного проводника с током. Для этого он применял электрометр, который присоединял к разным точкам проводника, когда одна из точек проводника была заземлена. Наконец, Ом попытался теоретически осмыслить обнаруженные им закономерности. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электричества вдоль проводника и проводил аналогию между электрическим током и потоком теплоты.
Ом надеялся, что его экспериментальные работы откроют ему путь в университет, чего он так желал. Однако статьи прошли незамеченными. Тогда он оставил место преподавателя в кельнской гимназии и отправился в Берлин, чтобы теоретически осмыслить полученные результаты. В 1827 г. в Берлине он опубликовал свой главный труд «Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet » («Гальваническая цепь, разработанная математически »).
Эта теория, при разработке которой вводит понятия и точные определения электродвижущей силы , или «э лектроскопической силы », как ее называет Ом, электропроводности (Starke der Leitung ) и силы тока . Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы изменения электрического напряжения вдоль цепи.
Теоретические исследования Ома также остались незамеченными, а если кто-нибудь и писал о них, то лишь для того, чтобы высмеять «болезненную фантазию, единственной целью которой является стремление принизить достоинство природы». И лишь лет десять спустя его гениальные работы постепенно начали пользоваться должным признанием: в Германии их оценили Поггендорф и Фехнер, в России - Ленц, в Англии - Уитстон, в Америке - Генри, в Италии - Маттеуччи.
Одновременно с опытами Ома во Франции проводил свои опыты А. Беккерель , а в Англии - Барлоу . Опыты первого особенно замечательны введением дифференциального гальванометра с двойной обмоткой рамки и применением «нулевого» метода измерения. Опыты же Барлоу стоит упомянуть потому, что они экспериментально подтвердили постоянство силы тока во всей цепи. Этот вывод был проверен и распространен на внутренний ток батареи Фехнером в 1831 году, обобщен в 1851 году Рудольфом Кольраушем (1809-1858) на жидкие проводники, а затем еще раз подтвержден тщательными опытами Густава Нидмана (1826-1899).
Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) в работах, относящихся к 1845-1848 годам., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.
Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально в 1843 англичанином Джеймсом Прескотом Джоулем
(1818-1889) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем
(1844). В настоящее время его называют законом Джоуля - Ленца.
Открытие явления электромагнитной индукции - важнейшее открытие в области электродинамики. Еще в 1824 году Араго, пытаясь с помощью магнитной стрелки определить присутствие железа в красной меди, обнаружил, что немагнитные вещества тормозят колебательное движение подвешенной магнитной стрелки. Затем он установил, что при вращении медной пластинки возле подвижного магнита последний стремится вращаться в том же направлении, и, наоборот, если вращать магнит, то пластинка в свою очередь стремится следовать за ним.
Опыт Арго сумел объяснить только Майкл Фарадей (1791-1867), открывший явление электромагнитной индукции. Фарадею принадлежит много открытий в области электричества и магнетизма. У Фарадея возникла мысль, что если электрический ток способен вызывать магнитные действия, то и магнетизм должен вызывать электрические явления. В 1823 г. он записывает в своем дневнике эту мысль: «Обратить магнетизм в электричество »; в течение восьми лет он настойчиво работал над поставленной задачей и в 1831 г. решил ее. Впервые явление электромагнитной индукции Фарадей наблюдал на следующем опыте:
«Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были положены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин.... При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобнее же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей. »
Проводя дальнейшие экспериментальные исследования, Фарадей открыл, в частности, случай «образования электричества из магнетизма», когда в проволочной катушке возникал электрический ток в результате движения внутри нее магнита.
Первый существенный шаг в направлении детального количественного изучения явления электромагнитной индукции был сделан в 1834 году петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865). Ленц изучал, как зависит индукционный ток в проволочной катушке от ее параметров, используя баллистический гальванометр. При этом он получил ряд новых результатов. В частности, установил, что э. д. с., индуцируемая в катушке, пропорциональна числу витков и не зависит от их диаметра и т. д. Самый важный результат, полученный Ленцем, - установление правила, или закона, носящего его имя. В его редакции оно формулируется так:
«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 ».
Апрель и 1820 году выдался на редкость холодным. Зима, казалось, и не собиралась отступать. Редкие прохожие торопливо шли по улицам Копенгагена. Был среди них и профессор Ганс Христиан Эрстед - датский физик и химик, который вот уже четырнадцать лет преподавал в копенгагенском университете. Дойдя до университетского здания, профессор быстро поднялся по лестнице и с облегчением накрыл за собой тяжелую дверь. Ответив на поклон швейцара, он направился к свой кабинет, чтобы повесить пальто и шляпу. Времени до начала утренней лекции оставалось немного. Эрстед бегло просмотрел записи и направился в аудиторию. В этот день, который потом вошел в историю, он читал лекцию старшекурсникам. Как только профессор появился на пороге, гомон, царивший в аудитории, моментально стих. Взоры всех обратились к этому неказистому человеку в темном сюртуке, из ворота которого выглядывал туго накрахмаленный белый воротничок.
Доброе утро, господа, - произнес профессор. - Наша сегодняшняя лекция посвящена, как я вам уже говорил прошлый раз, вольтову столбу. Двадцать лет назад превосходный итальянский физик Алессандро Вольта, изучал электрические явления и сконструировал прибор, который служит источником электрического тока . Он состоял из хороших проводников разного вида - примерно двух десятков медных или серебряных пластин, каждая из которых находилась на цинковой пластине и была прикрыта кусочком картона, сукна или кожи, пропитанных жидкостью, проводящей электрический ток , например раствором поваренной соли, гидратом окиси калия, либо щелочью. Эти слои, располагавшиеся в очередности: цинк, медь, прослойка материала, пропитанного электролитом, образовывали нечто вроде столбика, отсюда и взялос название прибора - вольтов столб.
Профессор Эрстед продолжал свой рассказ, поясняя его рисунками на доске. Проведя линии от основания и верхушки вольтова столба, профессор снова обратился к аудитории:
- Если к концам столба подсоединить куски проволоки, то можно убедиться, что он действительно является источником электрического тока. Правда, Он не дает таких сильных искр, как электрическая машина или заря женнйя сю лейденовсКая банка, зато и разряжается гораздо медленнее. Если дотронуться одновременно до обоих концов, можно почувствовать сильный электрический удар.
Сказав это, профессор подошел к стоящему сбоку столу и произнес:
- Вы можете, господа, проверить на практике мои слова. Я приготовил здесь вольтов столб, о котором только что рассказал вам. Пожалуйста, можете убедиться, как он действует.
Студенты столпились вокруг стола, на котором стоял прибор. Один из них тщательно осмотрел устройство и набравшись смелости, взялся за концы провода, подсоединенные к концам столба, но тотчас же отпрянул назад. И не удивительно, ведь вольтов столб - это ни что иное, как большая электрическая батарея. А как известно, удар электрического тока особого удовольствия не доставляет.
Эрстед, видя, что пример смельчака произвел на всех большое впечатление, попросил студентов занять свои места. Лекция уже подходила к концу, и он хотел еще сказать пару слов о следующей теме. Поставив на столе около вольтова столба магнитную стрелку, ученый обратился к студентам:
На следующей лекции я хочу рассказать вам о магнитных явлениях. Я глубоко убежден, что существует связь между электричеством и магнетизмом. Но, увы, ни мне, ни другим физикам не удалось пока что обнаружить ее. Электрическая батарея, которую вы здесь видите, не действует на магнитную стрелку. Можете сами убедиться в этом.
И тут произошло нечто совершенно непредвиденное, прямо противоположное тому, о чем говорил известный физик. Как только замкнулась электрическая цепь, стрелка дрогнула и отклонилась в сторону. Ученый был настолько потрясен, что на какой-то миг забыл о присутствии студентов. Его брови от удивления поползли вверх, а лицо покраснело от волнения.
Невероятно! - произнес он наконец. Дрожащей рукой профессор разъединил цепь. Стрелка немедленно вернулась в первоначальное положение. Он снова замкнул цепь - стрелка опять отклонилась. Эрстед предложил собравшимся вокруг стола студентам собственноручно проверить, как ведет себя магнитная стрелка в присутствии электрического тока. Увидев, что совершенное только что открытие не произвело на студентов особого впечатления, ученый быстро закончил лекцию и отпустил их, а сам немедленно взялся за изучение влияния проводника с идущим по нему током на магнитную стрелку.
Очень быстро ученый отказался от предположения, что стрелка отклоняется под влиянием движения теплого воздуха, нагреваемого проволокой. Он убедился, что наблюдаемое явление происходит и тогда, когда между проволокой, по которой идет ток, и магнитом помещается тело, не обладающее магнитными свойствами, например кусок картона. Но в присутствии тел, обладающих магнитными свойствами, оно не наблюдалось.
Описывая свои опыты в работе «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку», датский ученый обратил внимание на то, что электрические заряды могут воздействовать на магнит, если они движутся, т.е. если образуется электрический ток . В то же время покоящиеся заряды, например в лейденовской банке, не обладают такими свойствами. В этом и состояла сущность открытия, совершенного Эрстедом. Все его предшественники совершали ошибку, полагая, что им удастся открыть связь магнетизма и электричества, изучая покоящиеся заряды.
В упомянутой работе, которая была опубликована в июле 1820 года, датский ученый писал: “Если поместить проводник с током над стрелкой, параллельно ей, то конец стрелки, расположенный ближе к отрицательному полюсу батареи, отклонится на запад. При расстоянии в 3/4 дюйма отклонение достигало 45°”. Далее ученый описывал поведение магнитной стрелки при разных положениях проводника и выдвигал предположение относительно размещения сил в воздухе. Наблюдаемое воздействие электрического тока он назвал “conflictus electrici” - электрическим конфликтом, указав, что это явление наблюдается в воздухе вокруг проводника, по которому проходит ток.
Работа «Опыты, относящиеся к дей ствию электрического конфликта на магнитную стрелку», была разослана во многие научные общества и журналы, ко многим ученым Дании и других стран. Повсюду она вызвала огромный интерес. Целый ряд физиков начал вес ти энергичные исследования в области электромагнетизма. В конечном итоге это привело к созданию электрических двигателей, генераторов, электромагнитов и многих других устройств, без которых немыслимо развитие современной техники.
Датский физик приобрел междуна родную известность. По приглашению разных научных обществ он читал лекции в разных странах, поддерживал оживленные связи с европейскими учеными. Ганс Христиан Эрстед считается одним из величайших физиков XIX века. Его именем названа единица напряженности магнитного поля.
Е. ВЕЖБОВСКИИ
Журнал “Горизонты техники для детей” №6-74г.
«Так как я уже давно рассматривал силы, проявляющиеся в электрических явлениях всеобщими природными силами, то я должен был отсюда вывести и магнитные действия. Я высказал поэтому гипотезу, что электрические силы, когда они находятся в сильно связанном состоянии, должны оказывать на магнит некоторое действие.
Я не мог тогда проделать опыт для проверки, так как совершал путешествие и внимание мое было занято целиком разработкой химической системы 4 .
Ханс Кристиан Эрстед
Открытие Эрстеда, сделанное им в 1819 г. и опубликованное в 1820 г., заключалось в следующем. Эрстед обнаружил, что если возле магнитной стрелки поместить прямолинейный проводник, направление которого совпадает с направлением магнитного меридиана, и пропустить через него электрический ток, то магнитная стрелка отклоняется. Величину момента силы, действующего на магнитную стрелку под влиянием электрического тока, Эрстед не определил. Он только отметил, что угол, на который отклоняется стрелка под действием тока, зависит от расстояния между ней и током, а также, говоря современным языком, от силы тока (во времена Эрстеда еще не было твердо установлено понятие силы тока).
Теоретические соображения Эрстеда по поводу сделанного им открытия не отличались достаточной ясностью. Он говорил, что в окружающих точках пространства возникает «электрический конфликт», который имеет вокруг проводника вихревой характер. Статью, в которой впервые сообщалось об этом открытии, Эрстед называет «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».
Андре Мари Ампер
Открытие Эрстеда вызвало большой интерес и послужило толчком к новым исследованиям. В том же 1820 г. были получены новые результаты. Так, Араго показал, что проводник с током действует на железные предметы, которые при этом намагничиваются. Французские физики Био и Савар установили закон действия прямолинейного проводника с током на магнитную стрелку. Поместив магнитную стрелку около прямолинейного проводника с током и наблюдая изменение периода колебаний этой стрелки в зависимости от расстояния до проводника, они установили, что сила, действующая на магнитный полюс со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно проводнику и прямой, соединяющей проводник с полюсом, а ее величина обратно пропорциональна этому расстоянию. Этот результат был проанализирован, и после введения понятия элемента тока был установлен закон, известный под названием закона Био - Савара.
Также в 1820 г. был получен новый важный результат в области электромагнетизма французом Андре Мари Ампером (1775-1836). К этому времени Ампер был уже известным ученым, имел ряд трудов по математике, физике и химии. Кроме того, Ампера привлекали биология и геология. Он живо интересовался философией и в конце жизни написал большой труд «Исследование по философским наукам», посвященный вопросу классификации наук. Мировоззрение Ампера формировалось в значительной степени под влиянием французских просветителей и материалистов. Его взгляды на физические явления отличались от взглядов большинства его современников. Он был противником концепции «невесомых». «Разве надо, - говорил Ампер, - для каждой новой группы явлений придумывать специальный флюид?» Ампер очень быстро принял волновую теорию света, которая, по словам Араго, наряду с теорией самого Ампера, объясняющей магнитные явления электрическими, «стала его любимой теорией» 5 . Ампер был противником теории теплорода и считал, что сущность теплоты заключается в движении атомов и молекул. Он даже написал работу, посвященную волновой теории света и теории теплоты. В начале сентября 1820 г. Араго сообщил французским академикам об открытии Эрстеда и вскоре продемонстрировал его опыты на заседании Парижской Академии наук. Ампер чрезвычайно заинтересовался этим открытием. Прежде всего оно натолкнуло его на мысль о возможности сведения магнитных явлений к электрическим и исключении представления о специальной магнитной жидкости. Вскоре Ампер уже докладывал о своих новых гипотезах и говорил об опытах, которые должны их подтвердить. В кратком резюме своего первого доклада Ампер писал:
«Я свел явления, наблюденные г. Эрстедом, к двум о5щим фактам, я показал, что ток, существующий в вольтовом столбе, действует на магнитную стрелку так же, как и ток соединительной проволоки. Я описал опыты, при помощи которых я установил притяжение или отталкивание всей магнитной стрелки под действием соединяющей проволоки. Я описал приборы, которые предполагал соорудить и, между прочим, гальванические винты и спирали. Я указал, что последние будут производить во всех случаях те же действия, что и магниты. Затем я коснулся некоторых подробностей относительно своего воззрения на магниты, согласно которому они обязаны своим свойствам единственно электрическим токам, расположенным в плоскостях, перпендикулярных их оси. Я коснулся также некоторых подробностей относительно подобных же токов, предполагаемых мною в земном шаре. Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям» 6 .
В конце 1820 - начале 1821 г. им было сделано более десяти докладов. В них Ампер сообщал как о своих экспериментальных исследованиях, так и о теоретических соображениях. Ампер показал на опыте взаимодействие двух прямолинейных проводников с током, взаимодействие двух замкнутых токов и т. д. Он также демонстрировал взаимодействие соленоида и магнита; эквивалентное поведение соленоида и магнитной стрелки в поле земного магнетизма и ряд других опытов.
Теоретические выводы Ампера являлись развитием идей, высказанных им в первом сообщении: теперь они были подтверждены опытными исследованиями. Свойства магнита он объяснял наличием в нем токов, а взаимодействие магнитов - взаимодействием этих токов. Сначала Ампер считал эти токи макроскопическими, несколько позже он пришел к гипотезе молекулярных токов. Соответствующую точку зрения Ампер развивает и по вопросу о земном магнетизме, полагая, что внутри Земли протекают токи, которые обусловливают ее магнитное поле.
Теоретические соображения Ампера встретили со стороны некоторых физиков возражения. Не все сразу могли отказаться от существования «магнитного флюида». Кроме того, взгляды Айпера, казалось, не укладывались в общее представление о физических явлениях, в частности, они предполагали наличие сил, зависящих не только от расстояния, но и от движения (от силы тока). Наконец, они могли казаться видоизменением картезианских идей. И действительно, Ампер высказывался в картезианском духе о силах, действующих между электрическими токами. Он писал, что «стремился объяснить ее (силу - Б. С.) реакцией жидкости, разлитой в пространстве, колебание которой вызывает световое явление» 7
Однако такие рассуждения не характерны для Ампера, и его главный труд называется «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта».
Особенно активным противником теории Ампера был Био, который предложил другое объяснение взаимодействия электрических токов. Он полагал, что когда по проводнику протекает электрический ток, то под его действием хаотично расположенные магнитные диполи, которые имеются в проводнике, определенным образом ориентируются. В результате этого проводник приобретает магнитные свойства и возникают силы, действующие между проводниками, по которым течет электрический ток.
Против этой теории Ампер возражал, основываясь на открытии Фарадеем так называемого электромагнитного вращения. Фарадей с помощью специального прибора (рис. 51) установил факт непрерывного вращения магнита вокруг тока и тока вокруг магнита (1821). Ампер писал:
«Как только было опубликовано открытие первого непрерывного вращательного движения, сделанное Фарадеем, я сразу же увидел, что оно целиком опровергает эту гипотезу, и вот в каких выражениях я изложил мою мысль... Движение, продолжающееся постоянно в одном направлении, несмотря на трение, несмотря на сопротивление среды, и притом движение, вызываемое взаимодействием двух тел, остающихся все время в одном состоянии,- беспримерный факт среди всего, что мы знаем о свойствах неорганической материи. Он доказывает, что действие, исходящее из гальванических проводников, не может быть вызвано особым распределением некоторых жидкостей, находящихся в этих проводниках в состоянии покоя, которому обязаны своим происхождением обыкновенные электрические притяжения и отталкивания. Это действие можно приписать только жидкостям, которые движутся в проводнике, быстро переносясь от одного конца к другому» 8 .
Действительно, ни при каком постоянном расположении силовых центров (каковыми являются магнитные диполи Био) нельзя добиться их непрерывного движения так, чтобы они все время возвращались в первоначальное положение. Иначе опровергался бы принцип невозможности вечного двигателя.
Открыв взаимодействие токов, эквивалентность магнита и соленоида и т. д., а также выдвинув ряд гипотез, Ампер поставил перед собой задачу установить количественные законы этого взаимодействия. Для ее решения естественно было поступить аналогично тему, как поступали в теории тяготения или электростатике, а именно представить взаимодействие конечных проводников с током как результат суммарного взаимодействия бесконечно малых элементов проводников, по которым течет электрический ток, и таким образом свести указанную задачу к нахождению дифференциального закона, определяющего силу взаимодействия между элементами проводников с током или между элементами токов.
Однако эта задача является более трудной, нежели соответствующая задача в теории тяготения или электростатике, так как понятия материальной точки или точечного заряда имеют непосредственный физический смысл и с ними можно было проводить опыт, тогда как элемент электрического тока такого смысла не имел и реализовать его в то время было невозможно. Ампер поступает следующим образом. На основании известных опытных данных он выдвигает гипотезу о том, что сила взаимодействия между элементами проводников с током такова:
где i 1 и i 2 - сила токов, ds 1 и ds 2 - элементы проводников, r - расстояние между элементами, n - некоторое (пока неизвестное) число, Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) - еще не известная функция углов, определяющих взаимное расположение элементов проводников (рис. 52).
Предположения эти имеют разный характер. Так, предположение о зависимости dF от силы тока следует непосредственно из экспериментов. Предположение, что сила dF должна быть пропорциональна ds 1 и ds 2 , а также некоторой, пока не известной функции углов, также можно рассматривать как следствие, полученное из опытов, хотя и не непосредственно. Предположение о зависимости dF от расстояния между элементами оков основано, безусловно, уже только на предполагаемой аналогии с силами тяготения или силами взаимодействия между электрическими зарядами.
Определить п и выражение функции углов Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) можно, измерив силы взаимодействия между проводниками с током, различно расположенными друг относительно друга, разной величины и формы. Однако во времена Ампера это сделать было очень трудно, так как рассматриваемые токи были невелики. Ампер вышел из положения, исследовав случаи равновесия проводников с токами различно расположенных и разной формы. В результате он определил n и Φ (ε, θ 1 , &theta 2 ;) и получил окончательный результат для закона взаимодействия элементов токов:
В векторной форме и соответствующих единицах этот закон имеет вид
где dFi3 - сила, действующая на второй элемент тока.
Таким образом, закон, установленный Ампером, отличается от закона взаимодействия двух элементов токов, который в настоящее время называют законом Ампера и выражают формулой
Ошибка, допущенная Ампером, не повлияла на результаты расчетов, так как закон, естественно, применяли для простых случаев определения взаимодействия замкнутых проводников с постоянными токами. В этом случае обе формулы приводят к одному и тому же результату, так как они отличаются друг от друга на величину, которая при интегрировании по замкнутому контуру дает нуль.
В 1826 г. был издан основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». В этой книге Ампер систематически изложил свои исследования по электродинамике и, в частности, привел вывод закона взаимодействия элементов токов. В заключение обзора работ Ампера следует отметить, что он использовал понятие и* термин «сила тока», а также понятие «напряжение», хотя и не приводил ясной и четкой формулировки этих понятий. Амперу также принадлежит идея создания прибора для измерения силы тока (амперметра). Наконец, следует указать, что Ампер высказал идею электромагнитного телеграфа, которая затем была реализована на практике.
Важным достижением электродинамики первой половины XIX в. было установление законов цепи постоянного тока. Уже в начале XIX в. было высказано предположение, что сила тока (действие тока) в цепи зависит от свойств проводников. Так, Петров элемента тем больше, чем больше поперечное сечение проводников. Несколько позже зависимость химического действия тока.от проводников установил Дэви, который показал, что это действие тем больше, чем короче проводники и чем больше их сечение.
Георг Ом
В середине 20-х годов исследованием цепи постоянного электрического тока занялся немецкий физик Георг Ом (1787-1854). Прежде всего Ом экспериментально установил, что величина электрического тока зависит от длины проводников, их сечения и от числа гальванических элементов, включенных в цепь. Для измерения силы тока Ом использовал простейший гальванометр, представляющий собой крутильные весы, на нити которых была подвешена магнитная стрелка; Под стрелкой располагали проводник, включенный в цепь электрического тока. Когда по проводнику протекал электрический ток, магнитная стрелка отклонялась. Поворачивая головку крутильных весов, приводя стрелку в ее первоначальное положение, Ом измерял момент сил, действующих на маленькую стрелку. Как и Ампер, он считал, что величина этого момента пропорциональна силе тока.
Рис. 53. Прибор Ома (рисунки Ома)
Сначала Ом исследовал зависимость силы тока от длины проводника, включенного в цепь. В качестве источника тока он использовал термоэлемент, состоящий из висмута и меди (рис. 53) Висмутовый стержень bb", имеющий форму буквы П, соединен с медными полосами. Ом нашел, что «сила маг битного действия» тока (сила тока) исследуемого проводника определяется формулой
X=a/(b+x),
где х - длина проводника, а и b - постоянные, причем а зависит от возбуждающей силы термоэлемента (erregende Kraft), а Ь - от особенностей всего остального участка цепи, включая и термоэлемент.
Ом затем установил, что если в цепь включен не один, а m одинаковых источников тока, то «сила магнитного действия тока»
X=ma/(mb+x).
Ом определил также, как зависит сила тока X в проводнике от его длины и поперечного сечения. Он нашел, что
X = kw a/l ,
где k - коэффициент проводимости проводника (Leitungsvermogen), w - поперечное сечение, а l - длина проводника, а - электрическое напряжение на его концах (Electrische Spannung).
Ом исследовал распределение электрического потенциала «электроскопической силы» вдоль однородного проводника с током. Для этого он применял электрометр, который присоединял к различным точкам проводника, когда одна из точек проводника была заземлена. Наконец, Ом попытался теоретически осмыслить обнаруженные им закономерности. Он исходил из представления об электрическом токе как о течении электричества вдоль проводника. Он проводил аналогию между электрическим током и потоком теплоты. Он считал, что, подобно потоку теплоты, электричество течет по проводнику от одного слоя или элемента к другому, близлежащему. Поток теплоты определяется разностью температур в близлежащих слоях стержня, по которому течет эта теплота (т. е. градиентом температуры). Подобно этому, Ом полагает, что поток электричества должен определяться разностью электрической силы в близлежащих сечениях проводника. Он писал:
«Я полагаю, что величина передачи (электричества. - Б. С.) между двумя близлежащими элементами при других равных обстоятельствах пропорциональна разности электрической силы в этих элементах, подобно тому, как в учении о теплоте принимается, что тепловая передача между двумя элементами тепла пропорциональна разности их температур» 9 .
Под электрической силой здесь Ом понимает не напряженность электрического поля, а величину, которую показывает электроскоп, присоединенный к какой-либо точке проводника, если одна из точек гальванической цепи заземлена, т. е. разность потенциалов. Эту величину Ом и называл также «электроскопической силой».
Как часто бывает, аналогия, распространяемая слишком далеко, приводит к ошибкам. Так, Ом из того, что температура пропорциональна количеству теплоты, ошибочно заключил, что и «электроскопическая сила» в проводнике пропорциональна количеству электричества в каждой его точке. Решая задачу о распространении потенциала вдоль цепи тока, Ом полагал, что тем самым находит количество электричества в соответствующих местах проводника.
Закон, открытый Омом и носящий его имя, далеко не сразу получил признание. Еще в 30-х годах по его поводу высказывали сомнения и отмечали ограниченность его применения. Однако в ряде работ различных физиков, применивших более совершенные методы измерения, выводы Ома были подтверждены и его закон получил всеобщее признание. При этом были также исправлены ошибочные представления Ома.
Кирхгоф в работах, относящихся к 1845-1848 гг., уточнил понятие «электроскопической силы». Он установил тождественность понятия этой величины и понятия потенциала в электростатике. Кирхгоф также установил общеизвестные правила для электрических цепей.
Спустя более чем 15 лет после открытия закона Ома был установлен закон, определяющий количество теплоты, выделяемой электрическим током в цепи; он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843) и независимо от него петербургским академиком Э. X. Ленцем (1844). В настоящее время его называют законом Джоуля - Ленца.
1 См.: Jones В. The Life and Letters of Faraday. Vol. II. London, 1870 p. 395.
2 Oersted H. Ch. Der Geist und der Natur B. 2, MCnchen, 1851, S. 435.
3 Winterl I. Darstellung der vier Bestandtheil der anorganischen Natur. Verna, 1804.
4 Oersted H. Ch. J. Chem. Phys., B. 32, 1821, s. 200-201.
5 Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Т. II. СПб., I860, с. 304.
6 Ампер А. М. Электродинамика. М., Изд-во АН СССР, 1954, с. 410-411.
7 Ампер А. М. Электродинамика, с. 124.
8 Ампер А. М. Электродинамика, с. 127-128.
9 Ohm G. Gesammelte Adhandlungen. Leipzig, 1892, S. 63.
Одним из самых значительных шагов в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Майклом Фарадеем электромагнитной индукции
Именно на этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преображающих механическую энергию в электричество
Магниты и магнетизм: магнитное поле возникает при движении электронов в некоторых материалах, а также при прохождении тока через провода или катушки
Опыты Фарадея: изучая электромагнитную индукцию, Фарадей обматывал железное кольцо проводом, подсоединенным к полюсам батареи. Другой провод, охватывающий часть кольца, вел к гальванометру. Внизу — вариант с катушкой и постоянным магнитом
Огромные генераторы, установленные на электростанциях, используют принцип электромагнитной индукции, открытый Фарадеем с помощью маленького железного кольца
Электрические машины. Германия, XIX век
Современные машины, приводимые в движение тем же принципом, могут принимать различные формы, от мощных генераторов и трансформаторов ТЭС в Бранденбурге…
…до поезда, «парящего» над рельсами экспериментальной магистрали в Эмсленде на «магнитной подвеске»
Долгое время природа скрывала от человека свою электромагнитную сущность, поскольку предусмотрела тонкий баланс между электрическими зарядами в окружающем мире, начиная с отдельных атомов и кончая сложными организмами вроде нас с вами. Когда эту загадку удалось разгадать, люди сразу обратили эти силы природы себе на пользу, для чего им пришлось создать новую науку — об электромагнитных свойствах веществ.
В цепи открытий, связанных с исследованием электрических и магнитных явлений в последние три столетия, трудно выбрать самое важное. И создание «лейденской банки», и изобретение электрической батареи, и обнаружение химического, теплового и, наконец, магнитного действия электрического тока были важными этапами в понимании природы электромагнетизма. Кульминацией многочисленных, изящных и трудоемких, хитроумных и простых опытов стало создание теории, заключенной в четырех несложных на первый взгляд уравнениях, известных теперь как уравнения Максвелла. Фактически каждым из этих открытий мы так или иначе пользуемся в нашей повседневной жизни: батарейками, лампочками, электродвигателями, телеграфом и телефоном. Но самым значительным в науке об электричестве и магнетизме по праву можно считать открытие Фарадеем электромагнитной индукции. На этом явлении основан принцип действия трансформаторов и электрогенераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую. Открытие электромагнитной индукции больше, чем любое другое научное достижение, способствовало широкому распространению электричества и его доступности, что без преувеличения до неузнаваемости изменило нашу жизнь всего за каких-то сто лет.
Что такое электромагнитная индукция
В теории электродинамики есть дифференциальное уравнение, описывающее явление электромагнитной индукции как связь между электрическим напряжением и изменением магнитного поля во времени. Но прежде чем появилось уравнение, был установлен экспериментальный факт: в проводнике, попавшем в изменяющееся во времени магнитное поле, возникает электродвижущая сила (э.д.с.), пропорциональная скорости изменения поля. Это и есть открытый Майклом Фарадеем закон электромагнитной индукции. Э.д.с. действует на электрические заряды проводника, и если цепь замкнута, в ней начинает течь электрический ток. Меняя магнитное поле, не важно, двигая сам проводник или магнит, можно генерировать электрический ток и превратить таким образом механическую энергию в электрическую — а это уже практическое применение закона.
Самый простой «домашний» пример электрогенератора — фонарик-жучок. Внутри «жучка» находится постоянный магнитик, сделанный в виде диска, который мы крутим, нажимая ручку. Одна половинка диска — это северный полюс магнита, другая — южный. Вокруг магнитика-ротора неподвижно закреплены две небольшие полукруглые катушки. Когда мы вращаем магнит-ротор, магнитное поле, в котором находятся катушки, все время меняется, через них течет переменный ток, и горит подключенная к катушкам маленькая лампочка накаливания.
В последнее время появился другой вариант фонарика без батареек под названием «фонарь Фарадея». Когда вы его трясете, магнит в форме цилиндра двигается вокруг катушки, соединенной с конденсатором, в катушке возникает ток и конденсатор заряжается. А разряжается он через светодиод.
Еще один бытовой пример — электродинамический микрофон, используемый в системах усиления звука. В нем катушечка, прикрепленная к диафрагме, колеблется под действием голоса между полюсами постоянного магнита. Так механическая энергия наших голосовых связок преобразуется в электрическую. Сейчас электромагнитная индукция кажется простой и понятной, а 250 лет назад ученые только начали догадываться о связи между электричеством и магнетизмом, и пришлось приложить немало усилий, чтобы люди получили в свое распоряжение столько удобных, а часто и незаменимых устройств.
Монахи на службе науки
Опыты с электричеством стали весьма популярны в середине XVIII века. Были придуманы машинки для добывания электричества трением, проводились эффектные демонстрации с воспламенением эфира, пропусканием искры через качающуюся на качелях даму и даже для приготовления электризованной воды, считавшейся полезной для здоровья.
И вот в 1745 году один немецкий каноник и одновременно с ним физик из Лейдена Питер фон Мушенбрек, укрепив в горлышке банки с водой гвоздь, дотронулись им до проводника действующей электрической машины. После прерывания контакта прикосновение к гвоздю вызвало очень сильный удар, от которого у каноника онемели рука и плечо, а у Мушенбрека «все тело содрогнулось, как от молнии». Опыт стали повторять повсеместно, а француз Жан Нолле даже добился «содрогания» целой цепи державшихся за руки монахов в картезианском монастыре в Париже. Так появилась на свет «лейденская банка», попросту говоря, конденсатор.
А все-таки он движется
По стечению обстоятельств в год открытия лейденской банки родился Алессандро Вольта, который через пятьдесят лет изобрел свою электрическую батарею, и у физиков наконец появилась замечательная возможность получать электрический ток достаточной длительности, чтобы попытаться найти связь между электрическими и магнитными явлениями. Только спустя 20 лет, в 1820 году, был получен первый результат: тезка знаменитого сказочника Ганс Христиан Эрстед обнаружил отклонение стрелки компаса под действием тока, текущего вдоль меридиана. А блестящий экспериментатор Андре Мари Ампер предсказал и подтвердил экспериментально, что стальной брусок, помещенный внутрь спирали, по которой течет ток, намагничивается. Это положило начало разработке очень ценных устройств — электромагнитов, которые и сейчас остаются незаменимыми элементами многих электрических приборов.
Вскоре Эрстед сообщил о взаимности открытого им электромагнитного явления — он наблюдал движение подвешенной на проволоке батарейки, включенной в цепь, при приближении к ней магнита. Эти успехи позволили Майклу Фарадею создать очень простое, но важное приспособление: конец подвешенного проводника был опущен в резервуар с ртутью, в который снизу входил слегка выступающий над поверхностью ртути вертикальный магнит. При пропускании тока через ртуть и проводник последний начинал вращаться вокруг магнита. Это был уже почти электродвигатель! В современных его вариантах нет опасной ртути, а постоянный магнит часто заменен электромагнитом, но принцип действия остался прежним. Теперь оставалось ответить на последний вопрос: если электрический ток создает магнитное поле, предусмотрела ли природа обратный вариант?
Открытие века
Долгое время опыты не приносили результатов. Как ни располагали магниты около катушек или проводов, никаких токов не возникало. И вот в 1831 году Фарадей сделал свое самое великое открытие — явления электромагнитной индукции. Фарадей заметил, что ток появляется во всех случаях, когда магнитное поле меняется. Например, из-за движения магнита или из-за возрастания или уменьшения тока (если роль магнита выполняет проводник с током). Для демонстрации на железное кольцо наматывали два провода, один соединялся с батареей, другой — с гальванометром. При замыкании первой цепи наблюдалось резкое отклонение стрелки гальванометра, при размыкании — отклонение противоположного знака. Так Фарадею удалось «получить электричество из магнетизма». После многочисленных опытов он сам создал первый образец генератора электрического тока, отличного от батареи. Справедливости ради следует сказать, что почти одновременно с Фарадеем, но независимо от него явление электромагнитной индукции обнаружил и американский физик Джозеф Генри.
Последний штрих
Несколько десятилетий понадобилось, чтобы перейти к промышленному применению открытия. Важным этапом на этом пути стал переход от постоянных магнитов к более эффективным электромагнитам. Но здесь поначалу возникли некоторые трудности. Ведь электромагнит создает магнитное поле, только если по нему течет ток, и приходилось использовать отдельную магнитоэлектрическую машину или батарею для возбуждения самого электромагнита основного генератора. И здесь не обошлось без физического открытия, позволившего в конце концов решить эту проблему. В 1866 году сразу несколько исследователей обнаружили принцип самовозбуждения, и среди них немецкий инженер и предприниматель Вернер Сименс (основатель всемирно известной фирмы Siemens), о чем он и сделал доклад в Берлинской Академии «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». Благодаря этому открытию появилась динамо-машина — электрогенератор, который возбуждает свои электромагниты собственным током. Явление это не имеет ничего общего с выдумками барона Мюнхгаузена, который сам себя вытащил из болота. С сохранением энергии здесь все в порядке: после выключения тока у сердечника из мягкого железа наблюдается некоторая остаточная намагниченность, достаточная для того, чтобы с началом вращения создать небольшой ток в электромагните и соответственно магнитное поле, которое в свою очередь начнет индуцировать ток в основной цепи генератора.
Современные электрогенераторы отличаются поразительным разнообразием. От небольших устройств до гигантских тысячетонных генераторов ГЭС диаметром с десяток метров. Открытие электромагнитной индукции оказалось настолько полезным и универсальным, что его важность и практическую ценность, пожалуй, трудно переоценить. Когда Фарадею то ли лорд-канцлер, то ли премьер-министр однажды задал вопрос о пользе его открытия, ученый, хотя и был начисто лишен предпринимательской жилки, ответил так: «Она в том, сэр, что Вы, вероятно, в скором времени сможете получать с этого налоги».
Электрический ток в цепи всегда проявляется каким-нибудь своим действием. Это может быть как работа в определенной нагрузке, так и сопутствующее действие тока. Таким образом, по действию тока можно судить о его наличии или отсутствии в данной цепи: если нагрузка работает - ток есть. Если типичное сопутствующее току явление наблюдается - ток в цепи есть, и т. д.
Вообще, электрический ток способен вызывать различные действия: тепловое, химическое, магнитное (электромагнитное), световое или механическое, причем разного рода действия тока зачастую проявляются одновременно. Об этих явлениях и действиях тока и пойдет речь в данной статье.
Тепловое действие электрического тока
При прохождении постоянного или переменного электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Такими нагревающимися проводниками в разных условиях и приложениях могут выступать: металлы, электролиты, плазма, расплавы металлов, полупроводники, полуметаллы.
В простейшем случае, если, скажем, через нихромовую проволоку пропустить электрический ток, то она нагреется. Данное явление используется в нагревательных приборах: в электрочайниках, в кипятильниках, в обогревателях, электроплитках и т. д. В электродуговой сварке температура электрической дуги вообще доходит до 7000°С, и металл легко плавится, - это тоже тепловое действие тока.
Выделяемое на участке цепи количество теплоты зависит от приложенного к этому участку напряжения, значения протекающего тока и от времени его протекания ().
Преобразовав закон Ома для участка цепи, можно для вычисления количества теплоты использовать либо напряжение, либо силу тока, но тогда обязательно необходимо знать и сопротивление цепи, ведь именно оно ограничивает ток, и вызывает, по сути, нагрев. Или, зная ток и напряжение в цепи, можно так же легко найти количество выделяемой теплоты.
Химическое действие электрического тока
Электролиты, содержащие ионы, под действием постоянного электрического тока - это и есть химическое действие тока. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) - положительные ионы (катионы). То есть вещества, содержащиеся в электролите, в процессе электролиза выделяются на электродах источника тока.
Например, в раствор определенной кислоты, щелочи или соли погружают пару электродов, и при пропускании электрического тока по цепи на одном электроде создается положительный заряд, на другом - отрицательный. Ионы содержащиеся в растворе начинают откладываться на электроде с противоположным зарядом.
Скажем, при электролизе медного купороса (CuSO4), катионы меди Cu2+ с положительным зарядом движутся к отрицательно заряженному катоду, где они получают недостающий заряд, и становятся нейтральными атомами меди, оседая на поверхности электрода. Гидроксильная группа -OH отдаст электроны на аноде, и в результате выделится кислород. Положительно заряженные катионы водорода H+ и отрицательно заряженные анионы SO42- останутся в растворе.
Химическое действие электрического тока используется в промышленности, например, для разложения воды на составляющие ее части (водород и кислород). Также электролиз позволяет получать некоторые металлы в чистом виде. С помощью электролиза покрывают тонким слоем определенного металла (никеля, хрома) поверхности - это и т.д.
В 1832 году Майкл Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит. Если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток I, то справедлив первый закон электролиза Фарадея:
Здесь коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.
При наличии электрического тока в любом проводнике (в твердом, жидком или газообразном) наблюдается магнитное поле вокруг проводника, то есть проводник с током приобретает магнитные свойства.
Так, если к проводнику, по которому течет ток, поднести магнит, например в виде магнитной стрелки компаса, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику, а если намотать проводник на железный сердечник, и пропустить по проводнику постоянный ток, то сердечник станет электромагнитом.
В 1820 году Эрстед открыл магнитное действие тока на магнитную стрелку, а Ампер установил количественные закономерности магнитного взаимодействия проводников с током.
Магнитное поле всегда порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами, в частности - заряженными частицами (электронами, ионами). Противоположно направленные токи взаимно отталкиваются, однонаправленные токи взаимно притягиваются.
Такое механическое взаимодействие происходит благодаря взаимодействию магнитных полей токов, то есть это, в первую очередь, - магнитное взаимодействие, а уж потом - механическое. Таким образом, магнитное взаимодействие токов первично.
В 1831 году, Фарадей установил, что изменяющееся магнитное поле от одного контура порождает ток в другом контуре: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Логично, что именно магнитное действие токов используется по сей день и во всех трансформаторах, а не только в электромагнитах (например, в промышленных).
В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через нее током до белого каления и излучает свет.
Для лампы накаливания на световую энергию приходится около 5% от подведенной электроэнергии, остальные 95% которой преобразуется в тепло.
Люминесцентные лампы более эффективно преобразуют энергию тока в свет - до 20% электроэнергии преобразуется в видимый свет благодаря люминофору, принимающему от электрического разряда в парах ртути или в инертном газе типа неона.
Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в светодиодах. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Лучшие излучатели света относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), например GaAs, InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). КПД светодиода как источника света доходит в среднем до 50%.
Как было отмечено выше, каждый проводник, по которому течет электрический ток, образует вокруг себя . Магнитные действия превращаются в движение, например, в электродвигателях, в магнитных подъемных устройствах, в магнитных вентилях, в реле и т. д.
Механическое действие одного тока на другой описывает закон Ампера. Впервые этот закон был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна току в проводнике и векторному произведению элемента длины проводника на магнитную индукцию.
На этом принципе основана , где ротор играет роль рамки с током, ориентирующейся во внешнем магнитном поле статора вращающим моментом M.