Становление основ теории электрических цепей и электромагнетизма

Как известно, процессы в электрической цепи определяются скалярными величинами электродвижущей силы (или напряжения) и тока. Понятие об электродвижущей силе ввел в обращение А. Вольта.

После первых качественных и количественных исследований в 20-е годы прошлого столетия стали формироваться физические основы теории электрических токов. Самый большой вклад здесь был внесен работами Ампера. Г. С. Ом своим знаменитым законом, полученным экспериментальным путем, заложил основы расчетов электрических цепей. Еще до Кирхгофа разными у юными находились токи в разветвлениях цепей (например, Ленцем). Но только Кирхгофу в 1845—1847 гг. удалось сформулировать известные топологические законы, названные его именем. Законы Кирхффа легли в основу всех последующих методов расчета цепей.

Английский физик Чарльз Уитстон (1802—1875 гг.) в связи с работами по усовершенствованию телеграфа искал способы измерения сопротивлений. В результате он создал знаменитый «мостик Уитстона», решающим достоинством которого являлась независимость состояния равновесия от напряжения источника питания. В 1840 г. он показывал свое устройство Б. С. Якоби, а в 1843 г. дал описание своего «мостика» в статье. Для изменения сопротивления одного из плечей мостика Уитстон применил регулируемые резисторы, которые он назвал реостатами. Позднее (в 1860 г.) Вернер Сименс сконструировал магазин сопротивлений.

Один из крупнейших немецких ученых Герман Людвиг Гельмгольц (1821 — 1894 гг.) ввел в 1853 г. в теорию цепей известный ранее в физике принцип суперпозиции, на основе которого были построены важные теоремы электрических цепей, включая теорему об эквивалентном источнике (Гельмгольца — Тевенена). Гельмгольц же впервые получил уравнение переходного процесса в цепи при ее подключении к источнику, рассмотрел постоянные времени электрической цепи. Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1853 г. дал расчет колебательного процесса и установил связь между частотой собственных колебаний, индуктивностью и емкостью.

Максвеллом был разработан метод контурных токов, доказана теорема взаимности. Постепенно формировался практически весь арсенал методов расчета (включая эквивалентные преобразования) цепей постоянного тока.

После открытия электромагнитной индукции внимание ученых в значительной степени переключилось с «гальванических» токов, когда главными объектами исследований были сами гальванические элементы, процессы электролиза, на индукционные токи, когда наибольший интерес стали вызывать явления электромагнетизма.

Здесь особая роль принадлежит выдающемуся русскому физику Э. X. Ленцу. Он учился в своем родном городе Тарту (бывший город Юрьев, затем Дерпт), еще студентом в качестве физика участвовал в кругосветном путешествии под командой О. Е. Коцебу, стал академиком Петербургской Академии наук, заведующим кафедрой физики, затем деканом физико-математического факультета, а в 1863 г. был избран ректором Петербургского университета.

В своем докладе Петербургской Академии наук 29 ноября 1833 г. Э. X. Ленц, находясь под большим впечатлением от работ по электромагнитной индукции М. Фарадея, дал свою знаменитую формулировку закона, названного его именем: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического 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, причем предполагается, что такое перемещение может происходить только в направлении движения или в направлении, прямо противоположном».

Очевидно, что в этой формулировке заключена и идея принципа обратимости электрических машин, развитая позднее Б. С. Якоби.

Э. X. Ленд был одним из основоположников теории магнитоэлектрических машин. Ему принадлежит открытие и объяснение явления реакции якоря (1847 г.) и установление необходимости сдвигать щетки с геометрической нейтрали, он впервые изучал смещение фазы тока относительно фазы напряжении (1853 г.), придумал коммутатор для изучения формы кривой индуктированного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника энергии, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению внешней цепи. Широко известна работа Э. X. Ленца по тепловому действию тока (1842—1843 гг.), которая была выполнена независимо от Джеймса Джоуля (1841 г.) и представляла собой настолько обстоятельное исследование, что известному закону было справедлив присвоено имя обоих ученых.

В 1867 г. Максвелл сделал доклад Лондонскому Королевскому обществу «О теории поддержания электрических токов механическим путем без применения постоянных магнитов». Это был чисто теоретический труд, охвативший все известные к тому времени сведения об электрических машинах постоянного тока. Вероятно, затруднения в понимании максвелловскою стиля изложения помешали современникам по достоинству оценить эту работу.

Серьезно продвинули теорию электрических машин введенные в 1879 г. английским электротехником Джоном Гопкинсоном (1849—1898) графические представления о зависимостях в электрических машинах, так называемые характеристики машин (характеристика холостого хода, внешняя и др.). Им же введено понятие о коэффициенте магнитного рассеяния.

В мае 1886 г. Дж. и Э. Гопкинсокы сделали доклад в Лондонском Королевском обществе «Динамоэлсктрические машины», в котором содержалась уже вполне законченная, не потерявшая своего значения до нашего времени теория электрических машин постоянного тока.

Открытия в области электричества и магнетизма, сделанные в первой половине XIX в., а также практическое применение этих явлений стали предпосылками к важным научным обобщениям, в частности к созданию электромагнитной теории Максвелла. Первые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвеллом в 1855—1856 гг. В 1864 г. он дал определение электромагнитного поля и заложил основы его теории.

Заслуга Максвелла состоит в том, что, использовав накопленный до него громадный экспериментальный материал, он обобщил и развил прогрессивные идеи Фарадея, придав им стройную математическую форму.

В своем труде «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873 г.) Максвелл изложил основы разработанной им теории поля, являющейся краеугольным камнем современного учения об электромагнетизме. Важнейшие результаты своих исследований Максвелл сформулировал в виде знаменитых уравнений, получивших его имя. Максвелл обобщил закон электромагнитной индукции, распространив его на произвольный контур в любой среде. Он ввел понятие об электрическом смещении и токах смещения, установил принцип замкнутости тока.

Одним из важнейших выводов Максвелла является утверждение о том, что магнитное и электрическое поля тесно связаны между собой и изменение одного из них вызывает появление другого. Исследования показали, что скорость распространения подобных электромагнитных возмущений совпадает со скоростью света. Этот вывод был положен в основу электромагнитной теории света, разработанной Максвеллом и являющейся одним из выдающихся теоретических обобщений естествознания.

Максвелл не дожил до торжества своих глубоких научных идей и обобщений. Он сам еще не мог во всем объеме представить значение всего того, что содержалось в его «Трактате об электричестве и магнетизме», и того, что из него вытекало. Позднее немецкий физик Г. Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, а русский физик П. Н. Лебедев открыл световое давление и определил из опытов его значение, совпадающее с вычисленным по теории Максвелла.

Важное значение в развитии представлений о движении энергии имели работы проф. Н. А. Умова, среди которых особого внимания заслуживает его докторская диссертация «Уравнения движения энергии в телах» (1874 г.). Идеи Умова получили дальнейшее развитие, в частности, в трудах английского физика Дж. Г. Пойнтинга применительно к электромагнитному полю (1884 г.).

Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я "Очерки по истории электротехники"