История электромагнитной теории - History of electromagnetic theory
| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
История электромагнитной теории начинается с древними мерами , чтобы понять атмосферное электричество , в частности молнии . Тогда люди плохо разбирались в электричестве и не могли объяснить явления. Научное понимание природы электричества росло на протяжении восемнадцатого и девятнадцатого веков благодаря работе таких исследователей, как Кулон , Ампер , Фарадей и Максвелл .
В 19 веке стало ясно, что электричество и магнетизм связаны, и их теории объединились: везде, где движутся заряды, возникает электрический ток, а магнетизм возникает из-за электрического тока. Источником электрического поля является электрический заряд , а источником магнитного поля - электрический ток (движущиеся заряды).
Древняя и классическая история
Знание о статическом электричестве восходит к древнейшим цивилизациям, но на протяжении тысячелетий оно оставалось просто интересным и загадочным явлением без теории, объясняющей его поведение, и его часто путали с магнетизмом. Древние были знакомы с весьма любопытными свойствами , которыми обладают два минералами, амбры ( греческий : ἤλεκτρον , Elektron ) и магнитными железной руды ( μαγνῆτις λίθος magnētis Lithos , «магнезиально камень, магнетит»). Янтарь при растирании притягивает легкие предметы, например, перья; Магнитная железная руда обладает способностью притягивать железо.
Магниты впервые были найдены в естественном состоянии; определенные оксиды железа были обнаружены в различных частях мира, особенно в Магнезии в Малой Азии , которые обладали свойством притягивать крошечные кусочки железа, что показано здесь.
Основываясь на находке гематитового артефакта ольмеков в Центральной Америке , американский астроном Джон Карлсон предположил, что «ольмеки могли открыть и использовать геомагнитный магнитный компас раньше, чем в 1000 году до нашей эры». Если это правда, то это «предшествует открытию Китаем компаса геомагнитного магнитного камня более чем на тысячелетие». Карлсон предполагает, что ольмеки могли использовать подобные артефакты в качестве устройства направления в астрологических или геомантических целях или для ориентации своих храмов, жилищ живых или погребений мертвых. Самое раннее упоминание магнетизма в китайской литературе содержится в книге 4-го века до нашей эры под названием « Книга Мастера долины дьявола» (鬼谷 子): « Магнит заставляет железо приходить или притягивает его».
Задолго до появления каких-либо знаний об электромагнетизме люди знали о влиянии электричества . Молния и другие проявления электричества, такие как огонь Святого Эльма, были известны в древние времена, но никто не понимал, что эти явления имеют общее происхождение. Древние египтяне знали о сотрясениях при взаимодействии с электрическими рыбами (такими как электрический сом) или другими животными (например, электрическими угрями ). Сотрясения животных были очевидны для наблюдателей с доисторических времен у множества народов, контактировавших с ними. В текстах от 2750 г. до н. Э. Древние египтяне называли этих рыб «громовержцами Нила » и считали их «защитниками» всех остальных рыб. Другой возможный подход к открытию тождества молнии и электричества из любого другого источника следует приписать арабам, которые до 15 века использовали одно и то же арабское слово для обозначения молнии ( барк ) и электрического луча .
Фалес Милетский , писавший около 600 г. до н.э., отмечал, что трение мехом различных веществ, таких как янтарь, может привести к притягиванию пылинок и других легких предметов. Фалес писал об эффекте, теперь известном как статическое электричество . Греки отметили, что если они достаточно долго протирают янтарь, они могут даже получить электрическую искру, чтобы подпрыгнуть.
Спустя тысячелетия об этих электростатических явлениях снова сообщили римские и арабские естествоиспытатели и врачи . Некоторые древние писатели, такие как Плиний Старший и Скрибоний Ларгус , засвидетельствовали ошеломляющее действие электрического шока, наносимого сомом и торпедными лучами . Плиний в своих книгах пишет: «Древние тосканцы по своей учености утверждали, что есть девять богов, которые посылают молнии, и богов одиннадцати видов». Это вообще было раннее языческое представление о молнии. Древние считали, что электрические разряды могут проходить по проводящим объектам. Пациентам, страдающим такими заболеваниями, как подагра или головная боль, приказывали прикоснуться к электрической рыбе в надежде, что мощный толчок их вылечит.
Ряд предметов, найденных в Ираке в 1938 году и датируемых началом веков нашей эры ( Сасанидская Месопотамия ), называемые Багдадской батареей , напоминают гальванический элемент и, как некоторые полагают, использовались для гальваники . Утверждения спорны из-за подтверждающих доказательств и теорий использования артефактов, вещественных доказательств на предметах, способствующих электрическим функциям, и того, были ли они электрическими по своей природе. В результате природа этих объектов основана на предположениях , а функция этих артефактов остается под вопросом.
Средние века и эпоха Возрождения
Магнитное притяжение когда-то считалось Аристотелем и Фалесом работой души в камне.
Компас с магнитной стрелкой был разработан в 11 веке и повысил точность навигации за счет использования астрономической концепции истинного севера ( Dream Pool Essays , 1088). В то время китайский ученый Шен Го (1031–1095) был первым человеком, который, как известно, написал о магнитном стрелковом компасе , а к XII веку китайцы, как стало известно, использовали магнитный компас для навигации. В Европе первое описание компаса и его использования для навигации принадлежит Александру Неккаму (1187 г.), хотя использование компаса уже было обычным явлением. Его развитие в европейской истории произошло благодаря Флавио Джиоха из Амальфи.
В XIII веке Питер Перегрин , уроженец Марикура в Пикардии , сделал открытие фундаментальной важности. Французский ученый 13 века провел эксперименты с магнетизмом и написал первый дошедший до нас трактат, описывающий свойства магнитов и вращающихся стрелок компаса. В 1282, свойства магнитов и сухие компасы были обсуждены Аль-Ашраф Умара II , в йеменской ученого . Сухой компас был изобретен около 1300 года итальянского изобретателя Флавио Джиоха.
Архиепископ Фессалоникийский Евстафий , греческий ученый и писатель XII века, записывает, что Воливер , король готов , мог черпать искры из своего тела. Тот же автор утверждает, что некий философ во время одевания умел вырывать искры из своей одежды, результат, по-видимому, сродни тому, который получил Роберт Симмер в его экспериментах с шелковыми чулками, подробное описание которых можно найти в Philosophical Transactions 1759.
Итальянский врач Джероламо Кардано писал об электричестве в De Subtilitate (1550 г.), проводя различие между электрическими и магнитными силами, возможно, впервые.
17-го века
К концу 16 века врач времен королевы Елизаветы доктор Уильям Гилберт в Де Магнете расширил работу Кардано и изобрел новое латинское слово electrica из ἤλεκτρον ( ēlektron ), греческого слова, означающего «янтарь». Гилберт, уроженец Колчестера, член Колледжа Святого Иоанна в Кембридже, а в свое время президент Колледжа врачей, был одним из первых и наиболее выдающихся английских ученых - человеком, чьи работы Галилей считал великими. Он был назначен придворным врачом и получил пенсию, которая позволила ему продолжить свои исследования в области физики и химии.
Гилберт провел ряд тщательных электрических экспериментов, в ходе которых он обнаружил, что многие вещества, кроме янтаря, такие как сера, воск, стекло и т. Д., Способны проявлять электрические свойства. Гилберт также обнаружил, что нагретое тело теряет электричество и что влага препятствует электризации всех тел из-за теперь хорошо известного факта, что влага нарушает изоляцию таких тел. Он также заметил, что наэлектризованные вещества притягивают все другие вещества без разбора, тогда как магнит притягивает только железо. Многие открытия такого рода принесли Гилберту титул основателя электротехники . Исследуя силы, действующие на легкую металлическую иглу, уравновешенную на острие, он расширил список электрических тел и обнаружил, что многие вещества, включая металлы и природные магниты, не проявляют сил притяжения при трении. Он заметил, что сухая погода с северным или восточным ветром была наиболее благоприятным атмосферным условием для проявления электрических явлений - наблюдение, которое могло быть ошибочным до тех пор, пока не будет понятна разница между проводником и изолятором.
Работы Гилберта продолжил Роберт Бойль (1627–1691), знаменитый натурфилософ, которого когда-то описывали как «отца химии и дядю графа Корка». Бойль был одним из основателей Королевского общества, когда оно заседало в частном порядке в Оксфорде, и стал членом Совета после того, как общество было зарегистрировано Карлом II. в 1663 году. Он часто работал над новой наукой об электричестве и добавил несколько веществ в список электричества Гилберта. Он оставил подробный отчет о своих исследованиях под названием « Эксперименты по происхождению электричества» . Бойль в 1675 году заявил, что электрическое притяжение и отталкивание могут действовать через вакуум. Одним из его важных открытий было то, что наэлектризованные тела в вакууме будут притягивать легкие вещества, что указывает на то, что электрический эффект не зависит от воздуха как среды. Он также добавил смолу в известный тогда список электрики.
В 1663 году Отто фон Герике изобрел устройство, которое теперь считается одним из первых (возможно, первым) электростатическим генератором , но он не распознал его в первую очередь как электрическое устройство и не проводил с ним электрические эксперименты. К концу 17 века исследователи разработали практические способы производства электричества трением с электростатическим генератором , но разработка электростатических машин началась всерьез только в 18 веке, когда они стали фундаментальными инструментами в исследованиях нового наука об электричестве .
Первое использование слова « электричество» приписывается сэру Томасу Брауну в его работе 1646 года « Pseudodoxia Epidemica» .
С другой стороны, первое упоминание термина электромагнетизм относится к более ранней дате: 1641 году. Магнез , созданный иезуитским светилом Афанасием Кирхером , содержит на странице 640 провокационный заголовок главы: « Электромагнетизм, т. Е. О магнетизме янтаря, или электрические притяжения и их причины »( ηλεκτρο-μαγνητισμος id est sive De Magnetismo electri, seu electricis Attractionibus earumque causis ).
18-ый век
Улучшение электрической машины
Впоследствии электрическая машина была усовершенствована Фрэнсисом Хоксби , его учеником Литцендорфом и профессором Георгом Матиасом Бозе , около 1750 года. Литцендорф, проводивший исследования для Кристиана Августа Хаузена , заменил серный шар Герике стеклянным шаром . Бозе был первым, кто применил в таких машинах «первичный проводник», представлявший собой железный стержень, который держал в руке человек, тело которого было изолировано, стоя на глыбе из смолы. Ингенхауз в 1746 году изобрел электрические машины из листового стекла. Экспериментам с электрической машиной в значительной степени способствовало открытие, что стеклянная пластина, покрытая с обеих сторон оловянной фольгой, будет накапливать электрический заряд при соединении с источником электродвижущей силы . Вскоре электрическую машину усовершенствовал Эндрю Гордон , шотландец, профессор из Эрфурта, который заменил стеклянный шар стеклянным цилиндром; и Гиссингом из Лейпцига, который добавил «каучук», состоящий из подушки из шерстяного материала. Коллектор, состоящий из ряда металлических наконечников, был добавлен к машине Бенджамином Уилсоном примерно в 1746 году, а в 1762 году Джон Кантон из Англии (также изобретатель первого электроскопа с пробковыми шариками в 1754 году) повысил эффективность электрических машин. путем посыпания амальгамы олова на поверхность резины.
Электрика и неэлектрика
В 1729 году Стивен Грей провел серию экспериментов, которые продемонстрировали разницу между проводниками и непроводниками (изоляторами), показав, среди прочего, что металлический провод и даже канатная нить проводят электричество, а шелк - нет. В одном из своих экспериментов он пропустил электрический ток через 800 футов концевой нити, которая периодически подвешивалась петлями из шелковой нити. Когда он попытался провести тот же эксперимент, заменив тонко скрученную латунную проволоку шелком, он обнаружил, что электрический ток больше не проходит по конопляному шнуру, а вместо этого, кажется, исчезает в латунной проволоке. В этом эксперименте он разделил вещества на две категории: «электрические», такие как стекло, смола и шелк, и «неэлектрические», такие как металл и вода. «Неэлектрики» проводили заряды, в то время как «электрики» держали заряд.
Стекловидные и смолистые
Заинтригованный результатами Грея, в 1732 г. CF du Fay начал проводить несколько экспериментов. В своем первом эксперименте Дю Фай пришел к выводу, что все объекты, кроме металлов, животных и жидкостей, могут быть наэлектризованы посредством трения, и что металлы, животные и жидкости могут быть наэлектризованы с помощью электрической машины, тем самым дискредитируя «электричество» и «не-электричество» Грея. электрика »классификация веществ.
В 1733 году Дю Фай открыл то, что он считал двумя видами электричества трения; один образуется при трении стекла, другой - при трении смолы. Исходя из этого, Дю Фай предположил, что электричество состоит из двух электрических жидкостей, «стекловидного» и «смолистого», которые разделены трением и нейтрализуют друг друга при объединении. Эта картина электричества была также поддержана Кристианом Готлибом Кратценштейном в его теоретических и экспериментальных работах. Теория двух жидкостей позже породила концепцию положительных и отрицательных электрических зарядов, разработанную Бенджамином Франклином.
лейденская банка
Лейден банку , тип конденсатора для электрической энергии в больших количествах, было изобретено независимо друг от друга Эвальда Георга фон Клейста 11 октября 1744 года и Мушенбрук в 1745-1746 в Leiden University (последнем месте , давая при этом устройство свое название). Уильям Уотсон , экспериментируя с лейденской банкой, в 1747 году обнаружил, что разряд статического электричества эквивалентен электрическому току . Емкость впервые обнаружил фон Клейст из Лейдена в 1754 году. Фон Клейст случайно держал возле своей электрической машины небольшую бутылку, в горлышке которой был железный гвоздь. Случайно коснувшись железного гвоздя другой рукой, он получил сильный удар током. Примерно так же Мюссенбрук, которому помогал Кунаэн, получил более серьезный шок от похожей стеклянной бутылки. Сэр Уильям Ватсон из Англии значительно усовершенствовал это устройство, накрыв бутылку или банку снаружи и внутри фольгой. Этот электрический прибор будет легко узнаваем как хорошо известная лейденская банка, названная аббатом Парижа Нолле по месту ее открытия.
В 1741 году Джон Элликотт «предложил измерить силу электризации по ее способности поднимать вес на одной шкале весов, в то время как другой удерживался над наэлектризованным телом и притягивался к нему своей силой притяжения». Еще в 1746 году Жан-Антуан Нолле (1700–1770) проводил эксперименты со скоростью распространения электричества. Привлекая 200 картезианских монахов, соединенных из рук в руки железными тросами так, чтобы образовать круг длиной около 1,6 км, он смог доказать, что эта скорость конечна, хотя и очень высока. В 1749 году сэр Уильям Ватсон провел множество экспериментов, чтобы определить скорость электрического тока в проводе. Эти эксперименты, хотя, возможно, и не предназначенные для этого, также продемонстрировали возможность передачи сигналов на расстояние с помощью электричества. В этих экспериментах сигнал, казалось, мгновенно прошел по изолированному проводу длиной 12 276 футов. Ле Монье во Франции ранее проводил аналогичные эксперименты, посылая толчки по железной проволоке длиной 1319 футов.
Около 1750 г. были проведены первые опыты электротерапии . Различные экспериментаторы проводили тесты, чтобы установить физиологические и терапевтические эффекты электричества. Типичным для этой работы был Краценштейн в Галле, который в 1744 году написал трактат по этому поводу. Demainbray в Эдинбурге исследовал влияние электричества на растения и пришел к выводу, что рост двух миртовых деревьев ускорился за счет электрификации. Эти мирты были наэлектризованы «в течение всего октября 1746 года, и они давали ветви и цветы раньше, чем другие кусты того же вида, не подвергавшиеся электричеству». Аббат Менон во Франции испытал воздействие продолжительного воздействия электричества на людей и птиц и обнаружил, что испытуемые экспериментировали с похуданием, таким образом, очевидно, показывая, что электричество ускоряет выделение. Эффективность поражения электрическим током при параличе была проверена в окружной больнице в Шрусбери, Англия , с довольно плохим успехом.
Конец 18 века
Бенджамин Франклин продвигал свои исследования электричества и теорий с помощью знаменитого, хотя и чрезвычайно опасного эксперимента, в котором его сын запускал воздушного змея по грозному небу. Ключ, прикрепленный к веревке воздушного змея, зажег и зарядил лейденскую банку, тем самым установив связь между молнией и электричеством. После этих экспериментов он изобрел громоотвод . Считается, что именно Франклин (чаще) или Эбенезер Киннерсли из Филадельфии (реже) установил соглашение о положительном и отрицательном электричестве.
Теории относительно природы электричества в то время были довольно расплывчатыми, а те, что преобладали, были более или менее противоречивыми. Франклин считал электричество невесомой жидкостью, пронизывающей все и в нормальном состоянии равномерно распределенной во всех веществах. Он предположил, что электрические проявления, полученные при трении стекла, были вызваны образованием избытка электрического флюида в этом веществе, а проявления, вызванные натиранием воска, были вызваны дефицитом жидкости. Этому объяснению возражали сторонники теории «двух жидкостей», такие как Роберт Симмер в 1759 году. В этой теории стекловидное и смолистое электричество считались невесомыми жидкостями, причем каждая жидкость состояла из взаимно отталкивающих частиц, а частицы противоположного электричества. взаимно привлекательны. Когда две жидкости объединяются в результате их притяжения друг к другу, их влияние на внешние объекты нейтрализуется. При трении тела происходит разложение жидкостей, одна из которых остается на теле в избытке и проявляется в виде стекловидного или смолистого электричества.
Вплоть до исторического эксперимента Франклина с воздушным змеем, тождество электричества, возникающего при трении и электростатических машинах ( электричество трения ), с молнией, как правило, не было установлено. Доктор Уолл, аббат Ноллет , Хоксби , Стивен Грей и Джон Генри Винклер действительно предположили сходство между явлениями «электричества» и «молнии», Грей намекнул, что они различаются только по степени. Однако, несомненно, Франклин первым предложил тесты для определения сходства явлений. В письме к Питеру Комлинсону из Лондона 19 октября 1752 года Франклин, ссылаясь на свой эксперимент с воздушным змеем, писал:
Этим ключом можно заряжать склянку (лейденскую банку), и от электрического огня, полученного таким образом, можно зажигать духов, и проводить все другие электрические эксперименты, которые обычно проводятся с помощью натертого стеклянного шара или трубки, и тем самым полностью продемонстрировано тождество электрической материи с материей молнии ».
10 мая 1742 года Томас-Франсуа Далибар в Марли (недалеко от Парижа), используя вертикальный железный стержень длиной 40 футов, получил результаты, соответствующие результатам, записанным Франклином, и несколько раньше даты эксперимента Франклина. Важная демонстрация Франклином тождества электричества трения и молнии, несомненно, добавила пикантности усилиям многих экспериментаторов в этой области во второй половине 18-го века по продвижению прогресса науки .
Наблюдения Франклина помогли более поздним ученым, таким как Майкл Фарадей , Луиджи Гальвани , Алессандро Вольта , Андре-Мари Ампер и Георг Симон Ом , коллективная работа которых легла в основу современной электротехники и в честь которых названы фундаментальные единицы электрического измерения. Среди других, кто продвигал эту область знаний, были Уильям Уотсон , Георг Матиас Боз , Смитон, Луи-Гийом Ле Монье , Жак де Ромас , Жан Жаллабер, Джованни Баттиста Беккария , Тибериус Кавалло , Джон Кантон , Роберт Симмер , аббат Нолле , Джон Генри Винклер. , Бенджамин Уилсон , Эбенезер Киннерсли , Джозеф Пристли , Франц Эпинус , Эдвард Хасси Делаваи, Генри Кавендиш и Шарль-Огюстен де Кулон . Описания многих экспериментов и открытий этих ранних ученых-электриков можно найти в научных публикациях того времени, в частности, в Philosophical Transactions , Philosophical Magazine , Cambridge Mathematical Journal , в Natural Philosophy Янга , в Истории электричества Пристли , в Экспериментах Франклина и наблюдениях над ними. Электричество , Трактат Кавалли об электричестве и Трактат Де ла Рива об электричестве .
Генри Элльес был одним из первых, кто предположил связь между электричеством и магнетизмом. В 1757 году он утверждал, что в 1755 году написал Королевскому обществу о связи между электричеством и магнетизмом, утверждая, что «есть некоторые вещи, обладающие силой магнетизма, очень похожие на свойства электричества», но он «никоим образом не думал им то же самое ». В 1760 году он также утверждал, что в 1750 году он был первым, кто «подумал, как электрический огонь может быть причиной грома». Среди наиболее важных электрических исследований и экспериментов этого периода были работы Франца Эпина , известного немецкого ученого (1724–1802), и Генри Кавендиша из Лондона, Англия.
Францу Эпину приписывают как первое представление о взаимных отношениях электричества и магнетизма. В своей работе « Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism» , опубликованной в Санкт-Петербурге в 1759 году, он дает следующее усиление теории Франклина, которая по некоторым своим характеристикам заметно согласуется с современными взглядами: «Частицы электрической жидкости отталкиваются каждая. другие, притягиваются и притягиваются частицами всех тел с силой, которая уменьшается пропорционально увеличению расстояния; электрическая жидкость существует в порах тел; она беспрепятственно движется через неэлектрические (проводники), но движется с трудом в изоляторы; проявления электричества происходят из-за неравномерного распределения жидкости в теле или из-за приближения тел, неодинаково заряженных жидкостью ». Эпин сформулировал соответствующую теорию магнетизма, за исключением того, что в случае магнитных явлений жидкости воздействовали только на частицы железа. Он также провел многочисленные электрические эксперименты, очевидно, показавшие, что для проявления электрических эффектов турмалин должен быть нагрет до температуры от 37,5 ° С до 100 ° C. Фактически, турмалин остается неэлектрифицированным, когда его температура одинакова, но проявляет электрические свойства, когда его температура повышается или понижается. Кристаллы, которые проявляют электрические свойства таким образом, называются пироэлектрическими ; Наряду с турмалином к ним относятся сульфат хинина и кварц.
Генри Кавендиш независимо разработал теорию электричества, почти аналогичную теории Эпина. В 1784 году он был, возможно, первым, кто использовал электрическую искру, чтобы произвести взрыв водорода и кислорода в правильных пропорциях, которые позволили бы создать чистую воду. Кавендиш также открыл индуктивную емкость диэлектриков (изоляторов) и еще в 1778 году измерил удельную индуктивную емкость для пчелиного воска и других веществ по сравнению с воздушным конденсатором.
Примерно в 1784 году К.А. Кулон изобрел торсионные весы , открыв то, что теперь известно как закон Кулона : сила, действующая между двумя маленькими наэлектризованными телами, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, а не как предполагал Апин в своей теории электричества, а просто обратно пропорционально величине расстояние. Согласно теории, выдвинутой Кавендишем, «частицы притягиваются и притягиваются обратно пропорционально расстоянию в несколько меньшей степени, чем куб». Большая часть области электричества была фактически аннексирована открытием Кулоном закона обратных квадратов.
Благодаря экспериментам Уильяма Уотсона и других, доказывающих, что электричество может передаваться на расстояние, идея практического использования этого феномена началась примерно в 1753 году и захлестнула умы любознательных людей. С этой целью были внесены предложения относительно использования электричества для передачи разведданных. Первым из методов, разработанных для этой цели, был, вероятно, метод Жоржа Лесажа в 1774 году. Этот метод состоял из 24 проводов, изолированных друг от друга, и каждый из которых имел пробковый шарик, соединенный с его дальним концом. Каждая проволока представляла собой букву алфавита. Чтобы отправить сообщение, нужный провод на мгновение заряжался электричеством от электрической машины, после чего пробковый шарик, подключенный к этому проводу, вылетал. Были опробованы и другие методы телеграфирования, в которых использовалось электричество трения, некоторые из которых описаны в истории о телеграфе .
Эпоха гальванического или гальванического электричества представляет собой революционный прорыв по сравнению с историческим акцентом на электричество трения. Алессандро Вольта обнаружил, что химические реакции могут быть использованы для создания положительно заряженных анодов и отрицательно заряженных катодов . Когда между ними был прикреплен проводник, разница в электрическом потенциале (также известном как напряжение) заставляла ток между ними проходить через проводник. Разность потенциалов между двумя точками измеряется в единицах вольт в знак признания работы Вольта.
Первое упоминание о гальваническом электричестве, хотя и не признававшемся в то время как таковое, вероятно, было сделано Иоганном Георгом Зульцером в 1767 году, который, поместив небольшой диск цинка под свой язык и небольшой диск меди над ним, наблюдал своеобразное вкус, когда соответствующие металлы соприкасаются своими краями. Зульцер предположил, что, когда металлы соединились, они начали вибрировать, воздействуя на нервы языка, вызывая заметные эффекты. В 1790 году профессор Луиджи Алисио Гальвани из Болоньи, проводя эксперименты с « животным электричеством », заметил подергивание лягушачьих лапок в присутствии электрической машины. Он заметил, что мышца лягушки, подвешенная на железной балюстраде медным крючком, проходящим через ее спинной столб, без всякой посторонней причины испытывала сильные судороги, поскольку электрическая машина в это время отсутствовала.
Чтобы объяснить это явление, Гальвани предположил, что электричество противоположных видов присутствует в нервах и мышцах лягушки, мускулах и нервах, составляющих заряженные покрытия лейденской банки. Гальвани опубликовал результаты своих открытий вместе со своей гипотезой, которая привлекла внимание физиков того времени. Самым известным из них был Вольта, профессор физики из Павии , который утверждал, что результаты, наблюдаемые Гальвани, были результатом того, что два металла, медь и железо, действовали как электродвигатели , и что мышцы лягушки играли роль проводник, замыкающий цепь. Это вызвало длительную дискуссию между сторонниками противоположных взглядов. Одна группа согласилась с Вольтой, что электрический ток был результатом электродвижущей силы контакта двух металлов; другой принял модификацию взглядов Гальвани и утверждал, что ток был результатом химического сродства между металлами и кислотами в куче. Майкл Фарадей писал в предисловии к своим « Экспериментальным исследованиям» относительно вопроса о том, производит ли металлический контакт часть электричества гальванической батареи: «Я пока не вижу причин изменять высказанное мною мнение; ... но сам вопрос настолько важен, что я намереваюсь при первой же возможности возобновить расследование и, если смогу, предоставить доказательства, с одной или другой стороны, неопровержимые для всех ".
Однако даже сам Фарадей не уладил спор, и хотя взгляды сторонников обеих сторон вопроса претерпели изменения, как того требовали последующие исследования и открытия, вплоть до 1918 г. разнообразие мнений по этим вопросам продолжало проявляться. Вольта провел множество экспериментов в поддержку своей теории и в конечном итоге разработал батарею или батарею, которая была предшественницей всех последующих химических батарей, и обладала отличительным достоинством того, что была первым средством, с помощью которого можно было получить длительный непрерывный электрический ток. Вольта передал описание своей сваи Лондонскому королевскому обществу, и вскоре после этого Николсон и Кавендиш (1780) произвели разложение воды с помощью электрического тока, используя сваю Вольта в качестве источника электродвижущей силы.
19 век
Начало 19 века
В 1800 году Алессандро Вольта сконструировал первое устройство для выработки большого электрического тока, позже известное как электрическая батарея . Наполеон , узнав о его работах, вызвал его в 1801 году для командного выполнения своих экспериментов. Он получил множество медалей и наград, в том числе Légion d'honneur .
Дэви в 1806 году, используя гальваническую батарею из приблизительно 250 ячеек или пар, разложил калий и соду, показывая, что эти вещества были соответственно оксидами калия и натрия, металлов, которые ранее были неизвестны. Эти эксперименты были началом электрохимии , исследованием которой занялся Фарадей и в связи с которой в 1833 году он объявил свой важный закон электрохимических эквивалентов, а именно: « Одно и то же количество электричества, то есть один и тот же электрический ток, химически разлагается. эквивалентные количества всех тел, которые он пересекает; следовательно, веса элементов, разделенных в этих электролитах, являются друг для друга их химическими эквивалентами ". Используя батарею из 2000 элементов гальванической батареи, Хамфри Дэви в 1809 году впервые публично продемонстрировал электрическую дугу , используя для этой цели древесный уголь, заключенный в вакуум.
В некоторой степени важно отметить, что только через много лет после открытия гальванической батареи тождество животного электричества и электричества трения с гальваническим электричеством было ясно обнаружено и продемонстрировано. Таким образом, уже в январе 1833 г. мы находим Фарадей, писавший в статье об электричестве электрического луча . " После изучения экспериментов Уолша, Ингенхауса , Генри Кавендиша , сэра Х. Дэви и доктора Дэви у меня в голове не осталось сомнений относительно идентичности электричества торпеды с обычным (фрикционным) и гальваническим электричеством; и я полагаю, что так мало останется в уме других, чтобы оправдать мой отказ от подробного философского доказательства этой идентичности. Сомнения, высказанные сэром Хэмфри Дэви , были устранены его братом, доктором Дэви; результаты последнее является противоположностью первого ... Общий вывод, который, я думаю, должен быть сделан из этой совокупности фактов (таблицы, показывающей сходство свойств электричества с разными названиями), заключается в том, что электричество каким бы ни был его источник, идентичен по своей природе ".
Однако уместно заявить, что до времен Фарадея сходство электричества, полученного из разных источников, было более чем подозрительным. Так, Уильям Хайд Волластон писал в 1801 году: « Это сходство в способах возбуждения как электричества, так и гальванизма (гальваническое электричество) в дополнение к сходству, которое было прослежено между их эффектами, показывает, что они оба по существу одинаковы. и подтверждают мнение, которое уже было выдвинуто другими, что все различия, обнаруживаемые в эффектах последнего, могут быть следствием того, что оно менее интенсивно, но произведено в гораздо большем количестве ». В той же статье Волластон описывает определенные эксперименты, в которых он использовал очень тонкую проволоку в растворе сульфата меди, через которую он пропускал электрические токи от электрической машины. Это интересно в связи с более поздним использованием почти аналогичных тонких проводов в электролитических приемниках беспроводной связи или радиотелеграфии.
В первой половине XIX века в мировые знания об электричестве и магнетизме было внесено много очень важных дополнений. Например, в 1820 году Ганс Христиан Эрстед из Копенгагена обнаружил отклоняющий эффект электрического тока, проходящего по проводу, на подвешенной магнитной игле.
Это открытие дало ключ к доказанной впоследствии тесной взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, которая была незамедлительно продолжена Ампером, который несколько месяцев спустя, в сентябре 1820 года, представил первые элементы своей новой теории, которую он разработал в последующие годы, достигнув высшей точки. публикация в его « Mémoire sur la théorie mathématique des fénomènes électrodynamiques unique déduite de l'experience » 1827 г. на другой, своими электромагнитными эффектами, а именно
- Два параллельных участка цепи притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одном направлении, и отталкиваются друг от друга, если токи текут в противоположном направлении.
- Две части цепей, пересекающие друг друга, наклонно притягиваются друг к другу, если оба тока текут либо к точке пересечения, либо от нее, и отталкиваются друг от друга, если одна течет в эту точку, а другая - от этой точки.
- Когда элемент схемы оказывает силу на другой элемент схемы, эта сила всегда стремится подтолкнуть второй элемент в направлении, перпендикулярном его собственному направлению.
Ампер ввел в теорию множество явлений, исследуя механические силы между проводниками, поддерживающими токи, и магнитами. Джеймс Клерк Максвелл в своем « Трактате об электричестве и магнетизме » назвал Ампера «Ньютоном электричества».
Немецкий физик Зеебек обнаружил в 1821 году, что при приложении тепла к стыку двух металлов, которые были спаяны вместе, возникает электрический ток. Это называется термоэлектричеством . Устройство Зеебека состоит из полоски меди, согнутой на каждом конце и припаянной к пластине висмута. Магнитная игла помещается параллельно медной полоске. Когда тепло лампы воздействует на соединение меди и висмута, возникает электрический ток, который отклоняет иглу.
Примерно в это же время Симеон Дени Пуассон приступил к решению сложной проблемы наведенной намагниченности, и его результаты, хотя и по-разному выражаются, по-прежнему являются теорией как наиболее важным первым приближением. Его заслуги перед наукой были в применении математики к физике. Возможно, наиболее оригинальными и, безусловно, наиболее прочными по своему влиянию были его мемуары по теории электричества и магнетизма, которые фактически создали новый раздел математической физики .
Джордж Грин написал «Эссе о применении математического анализа к теориям электричества и магнетизма» в 1828 году. В эссе были представлены несколько важных концепций, в том числе теорема, аналогичная современной теореме Грина, идея потенциальных функций, которая в настоящее время используется в физике, и концепция того, что сейчас называется функциями Грина . Джордж Грин был первым, кто создал математическую теорию электричества и магнетизма, и его теория легла в основу работ других ученых, таких как Джеймс Клерк Максвелл, Уильям Томсон и другие.
Пельтье в 1834 году обнаружил эффект, противоположный термоэлектричеству, а именно, что когда ток проходит через пару разнородных металлов, температура на стыке металлов понижается или повышается в зависимости от направления тока. Это называется эффектом Пельтье . Обнаружено, что изменения температуры пропорциональны силе тока, а не квадрату силы тока, как в случае нагрева из-за обычного сопротивления проводника. Этот второй закон представляет собой закон I 2 R , экспериментально открытый в 1841 году английским физиком Джоулем . Другими словами, этот важный закон заключается в том, что тепло, выделяемое в любой части электрической цепи, прямо пропорционально произведению сопротивления R этой части цепи и квадрату силы тока I, протекающего в цепи.
В 1822 году Иоганн Швайггер изобрел первый гальванометр . Впоследствии этот инструмент был значительно улучшен Вильгельмом Вебером (1833 г.). В 1825 году Уильям Стерджен из Вулиджа, Англия, изобрел подковообразный и прямолинейный электромагнит, получив за это серебряную медаль Общества искусств. В 1837 году Карл Фридрих Гаусс и Вебер (оба известные работники того времени) совместно изобрели отражающий гальванометр для телеграфных целей. Это был предшественник отражателя Томсона и других чрезвычайно чувствительных гальванометров, которые когда-то использовались в подводной сигнализации и до сих пор широко используются в электрических измерениях. Араго в 1824 году сделал важное открытие: когда медный диск вращается в своей плоскости и если магнитная игла свободно подвешивается на шарнире над диском, игла будет вращаться вместе с диском. С другой стороны, если игла зафиксирована, она будет замедлять движение диска. Этот эффект получил название вращения Араго .
Чарльз Бэббидж , Питер Барлоу , Джон Гершель и другие предпринимали тщетные попытки объяснить это явление. Истинное объяснение было зарезервировано для Фарадея, а именно, что электрические токи индуцируются в медном диске за счет перерезания магнитных силовых линий иглы, которые, в свою очередь, воздействуют на иглу. Георг Симон Ом работал над сопротивлением в 1825 и 1826 годах и опубликовал свои результаты в 1827 году в виде книги Die galvanische Kette, Mathematisch Bearbeitet . Он черпал вдохновение из работ Фурье по теплопроводности при теоретическом объяснении своей работы. Для экспериментов он сначала использовал гальванические батареи , но позже применил термопару, поскольку это обеспечивало более стабильный источник напряжения с точки зрения внутреннего сопротивления и постоянной разности потенциалов. Он использовал гальванометр для измерения тока и знал, что напряжение между выводами термопары пропорционально температуре перехода. Затем он добавил испытательные провода разной длины, диаметра и материала, чтобы замкнуть цепь. Он обнаружил, что его данные можно смоделировать с помощью простого уравнения с переменной, состоящей из показаний гальванометра, длины испытательного проводника, температуры спая термопары и постоянной всей установки. Исходя из этого, Ом определил свой закон пропорциональности и опубликовал свои результаты. В 1827 году он объявил известный ныне закон, носящий его имя , а именно:
Ом привел в порядок множество загадочных фактов, связывающих электродвижущую силу и электрический ток в проводниках, которые все предыдущие электрики сумели лишь слабо качественно связать вместе с помощью некоторых довольно расплывчатых утверждений. Ом обнаружил, что результаты можно суммировать в таком простом законе, и благодаря открытию Ома большая часть области электричества стала частью теории.
Фарадей и Генри
.jpg)
Открытие электромагнитной индукции было сделано почти одновременно, хотя и независимо, Майклом Фарадеем , который первым сделал открытие в 1831 году, и Джозефом Генри в 1832 году. Открытие Генри самоиндукции и его работа по спиральным проводникам с использованием медной катушки были обнародована в 1835 году, незадолго до работ Фарадея.
В 1831 году начались эпохальные исследования Майкла Фарадея , знаменитого ученика и преемника Хамфри Дэви во главе Королевского института в Лондоне, в области электрической и электромагнитной индукции. Замечательные исследования Фарадея, князя экспериментаторов , по электростатике, электродинамике и индукции токов. Они довольно долго приводились из грубого экспериментального состояния в компактную систему, выражающую реальную сущность. Фарадей не был компетентным математиком, но если бы он был им, ему бы очень помогли его исследования, он избавился бы от множества бесполезных предположений и ожидал бы гораздо более поздних работ. Например, он мог бы, зная теорию Ампера, по своим результатам легко прийти к теории Неймана и связанным с ней работам Гельмгольца и Томсона. Исследования и исследования Фарадея продолжались с 1831 по 1855 год, и подробное описание его экспериментов, выводов и предположений можно найти в его собранных статьях, озаглавленных «Экспериментальные исследования в области электричества». Фарадей по профессии был химиком. Он ни в малейшей степени не был математиком в обычном смысле слова - действительно, возникает вопрос, есть ли во всех его трудах единственная математическая формула.
Эксперимент, который привел Фарадея к открытию электромагнитной индукции, был проведен следующим образом: он сконструировал то, что сейчас называлось индукционной катушкой , первичный и вторичный провода которой были намотаны на деревянной бобине рядом друг с другом и изолированы от друг друга. В цепь первичного провода он поместил батарею примерно на 100 ячеек. Во вторичный провод он вставил гальванометр. При проведении своего первого теста он не наблюдал никаких результатов, гальванометр оставался неподвижным, но при увеличении длины проводов он заметил отклонение гальванометра во вторичном проводе, когда цепь первичного провода была замкнута и разорвана. Это был первый наблюдаемый случай развития электродвижущей силы за счет электромагнитной индукции.
Он также обнаружил, что индуцированные токи возникают во второй замкнутой цепи, когда сила тока изменяется в первом проводе, и что направление тока во вторичной цепи противоположно направлению тока в первой цепи. Также, что ток индуцируется во вторичной цепи, когда другая цепь, по которой протекает ток, перемещается в первую цепь и из нее, и что приближение или удаление магнита в замкнутую цепь или из нее индуцируют мгновенные токи в последней. Короче говоря, в течение нескольких месяцев Фарадей экспериментально открыл практически все законы и факты, которые сейчас известны в отношении электромагнитной индукции и магнитоэлектрической индукции. От этих открытий, почти без исключения, зависит работа телефона, динамо- машины и связанных с динамо-электрической машиной практически всех гигантских электрических производств мира, включая электрическое освещение , электрическую тягу, работу электродвигателей для целей питания и электро-плакировка , ГАЛЬВАНОТЕХНИКА и т.д.
В своих исследованиях необычного способа расположения железных опилок на картоне или стекле вблизи полюсов магнита, Фарадей придумал идею магнитных « силовых линий », проходящих от полюса к полюсу магнита и вдоль которых документы, как правило, размещаются сами по себе. Когда было сделано открытие, что магнитные эффекты сопровождают прохождение электрического тока по проводу, было также сделано предположение, что аналогичные магнитные силовые линии вращаются вокруг провода. Затем для удобства и для учета индуцированного электричества было принято, что, когда эти силовые линии « перерезаются » проводом при прохождении через них, или когда восходящие и падающие силовые линии перерезают провод, возникает электрический ток, или, точнее, в проводе создается электродвижущая сила, которая создает ток в замкнутой цепи. Фарадей выдвинул то, что было названо молекулярной теорией электричества, которая предполагает, что электричество является проявлением особого состояния молекулы натертого тела или эфира, окружающего тело. Фарадей также экспериментально открыл парамагнетизм и диамагнетизм , а именно, что все твердые тела и жидкости либо притягиваются, либо отталкиваются магнитом. Например, железо, никель, кобальт, марганец, хром и т. Д. Являются парамагнитными (притягиваются магнетизмом), в то время как другие вещества, такие как висмут, фосфор, сурьма, цинк и т. Д., Отталкиваются магнетизмом или диамагнитны .
Бруганс из Лейдена в 1778 году и Ле Байлиф и Беккерель в 1827 году ранее открыли диамагнетизм в случае висмута и сурьмы. Фарадей также заново открыл удельную индуктивную емкость в 1837 году, результаты экспериментов Кавендиша в то время не были опубликованы. Он также предсказал замедление сигналов на длинных подводных кабелях из-за индуктивного эффекта изоляции кабеля, другими словами, статической емкости кабеля. В 1816 году пионер телеграфа Фрэнсис Рональдс также наблюдал замедление сигнала на своих подземных телеграфных линиях, объясняя это индукцией.
25 лет, последовавших сразу за открытиями электромагнитной индукции Фарадеем, были плодотворными для обнародования законов и фактов, касающихся индуцированных токов и магнетизма. В 1834 году Генрих Ленц и Мориц фон Якоби независимо друг от друга продемонстрировали уже знакомый факт, что токи, индуцируемые в катушке, пропорциональны количеству витков в катушке. Ленц также объявил тогда свой важный закон о том, что во всех случаях электромагнитной индукции индуцированные токи имеют такое направление, что их реакция имеет тенденцию останавливать вызывающее их движение, закон, который, возможно, был выведен из объяснения Фарадея вращений Араго.
Индукционная катушка была первым спроектированный Николай Калланом в 1836. В 1845 году Джозеф Генри , американский физик, опубликовала отчет о его ценных и интересных экспериментах с индуцированными токами высокого порядка, показывая , что токи может быть вызвана из вторичной индукции катушка к первичной обмотке второй обмотки, оттуда к ее вторичному проводу и так далее к первичной обмотке третьей обмотки и т. д. Генрих Даниэль Румкорф доработал индукционную катушку, катушка Румкорфа была запатентована в 1851 году, и он использовал длинные обмотки медной проволоки, чтобы получить искру длиной примерно 2 дюйма (50 мм). В 1857 году, после изучения значительно улучшенной версии, созданной американским изобретателем Эдвардом Сэмюэлем Ричи , Румкорф улучшил свою конструкцию (как и другие инженеры), применив стеклянную изоляцию и другие инновации, которые позволили производить искры более 300 миллиметров (12 дюймов). длинный.
Середина 19 века
Электромагнитная теория света добавляет к старой волнообразной теории огромной провинции трансцендентного интереса и значения; она требует от нас не просто объяснения всех явлений света и теплового излучения с помощью поперечных колебаний упругого твердого называемого эфира, но и включения электрических токов, из постоянного магнетизма из стали и магнита , от магнитной силы , и из электростатическая сила во всеобъемлющей эфирной динамике ».
Можно сказать, что до середины XIX века, а точнее примерно до 1870 года, наука об электричестве была запечатанной книгой для большинства электротехников. До этого времени было опубликовано несколько справочников по электричеству и магнетизму, в частности, исчерпывающий « Трактат об электричестве » Огюста де Ла Рива в 1851 г. (на французском языке) и 1853 г. (на английском языке); Август Пиво 's Einleitung в фильеры Elektrostatik, умирают Lehre фом Magnetismus унд умереть Elektrodynamik , Видеман 'S' Galvanismus ,' и Рейсс ' Reibungsal-elektricitat . Но эти работы состояли в основном в деталях экспериментов с электричеством и магнетизмом и мало в законах и фактах этих явлений. Анри д'Абриа опубликовал результаты некоторых исследований законов индуцированных токов, но из-за их сложности исследование не дало особо заметных результатов. Примерно в середине XIX века были опубликованы работы Флиминга Дженкина « Электричество и магнетизм » и « Трактат об электричестве и магнетизме » клерка Максвелла .
Эти книги были отклонением от проторенного пути. Как утверждает Дженкин в предисловии к своей работе, наука в школах настолько отличалась от науки электриков, что было совершенно невозможно дать учащимся достаточное или даже приблизительно достаточное количество учебников. Он сказал, что студент, возможно, усвоил большой и ценный трактат де ла Рива, но при этом чувствовал себя так, словно в незнакомой стране и слушал незнакомый язык в компании практиков. Как сказал другой писатель, с появлением книг Дженкина и Максвелла все препятствия на пути студентов-электриков были устранены, « полное значение закона Ома становится ясным: электродвижущая сила, разность потенциалов, сопротивление, ток, емкость, линии сила, намагниченность и химическое сродство можно было измерить, и о них можно было рассуждать, и о них можно было делать расчеты с такой же уверенностью, как и расчеты в динамике ".
Около 1850 года Кирхгоф опубликовал свои законы, относящиеся к разветвленным или разделенным цепям. Он также математически показал, что согласно преобладающей тогда электродинамической теории, электричество будет распространяться по идеально проводящему проводу со скоростью света. Гельмгольц математически исследовал влияние индукции на силу тока и вывел из них уравнения, которые подтвердил эксперимент, показав, среди других важных моментов, замедляющий эффект самоиндукции при определенных условиях цепи.
В 1853 году сэр Уильям Томсон (позже лорд Кельвин ) предсказал в результате математических расчетов колебательный характер электрического разряда в конденсаторном контуре. Генри, однако, принадлежит заслуга в том, что он в результате своих экспериментов 1842 года обнаружил колебательный характер разряда лейденской банки . Он писал: « Эти явления требуют, чтобы мы признали существование основного разряда в одном направлении, а затем нескольких рефлекторных действий взад и вперед, каждое из которых более слабое, чем предыдущее, до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие . Эти колебания впоследствии были обнаружены Б. В. Феддерсеном (1857), который с помощью вращающегося вогнутого зеркала проецировал изображение электрической искры на чувствительную пластину, тем самым получая фотографию искры, которая ясно показывала переменный характер разряда. Сэр Уильям Томсон был также первооткрывателем электрической конвекции тепла ( «эффект Томсона» ). Он разработал для точных электрических измерений свои квадрантные и абсолютные электрометры. Отражающий гальванометр и сифон рекордер , применительно к подводной сигнализации кабеля, также из - за него.
Примерно в 1876 году американский физик Генри Огастес Роуленд из Балтимора продемонстрировал важный факт, что переносимый статический заряд производит те же магнитные эффекты, что и электрический ток. Важность этого открытия состоит в том, что оно может дать правдоподобную теорию магнетизма, а именно, что магнетизм может быть результатом направленного движения рядов молекул, несущих статические заряды.
После открытия Фарадеем того факта, что электрические токи могут развиваться в проводе, заставляя его пересекать силовые линии магнита, следовало ожидать, что будут предприняты попытки сконструировать машины, использующие этот факт для развития гальванических токов. . Первая машина такого типа была создана Ипполитом Пиксием в 1832 году. Она состояла из двух катушек с железной проволокой, напротив которых вращались полюса подковообразного магнита. Поскольку это производило в катушках провода переменный ток , Pixii установила коммутирующее устройство (коммутатор), которое преобразовало переменный ток катушек или якоря в постоянный ток во внешней цепи. За этой машиной последовали усовершенствованные формы магнитоэлектрических машин Эдварда Сэмюэля Ричи , Джозефа Сакстона , Эдварда М. Кларка 1834, Эмиля Сторера 1843, Флориса Ноллета 1849, Шепперда 1856, Ван Малдерна , Вернера фон Сименса , Генри Уайльда и других.
Заметный прогресс в искусстве создания динамо-машины был сделан Сэмюэлем Альфредом Варли в 1866 году и Сименсом и Чарльзом Уитстоуном , которые независимо обнаружили, что когда катушка проволоки или якорь динамо-машины вращается между полюсами (или "поле") электромагнита, слабый ток создается в катушке из-за остаточного магнетизма в железе электромагнита, и что, если цепь якоря соединяется с цепью электромагнита, слабый ток развивается в якорь увеличивает магнетизм в поле. Это дополнительно увеличивает магнитные силовые линии, в которых вращается якорь, что еще больше увеличивает ток в электромагните, тем самым вызывая соответствующее увеличение магнетизма поля и так далее, пока не будет достигнута максимальная электродвижущая сила, которую машина способна развивать. достигается. Посредством этого принципа динамо-машина создает собственное магнитное поле , тем самым значительно повышая ее эффективность и экономичность. Однако динамо-электрическая машина никоим образом не была усовершенствована в указанное время.
В 1860 году доктор Антонио Пачинотти из Пизы сделал важное усовершенствование , создав первую электрическую машину с кольцевым якорем. Эта машина сначала использовалась как электродвигатель, а затем как генератор электричества. Открытие принципа обратимости динамо-электрической машины (по-разному приписываемой Валенну 1860; Пачинотти 1864; Фонтену , Грамму 1873; Депре 1881 и др.), Посредством которого она может использоваться как электродвигатель или как генератор электричества, имеет был назван одним из величайших открытий 19 века.
В 1872 году Хефнер-Альтенек изобрел барабанную арматуру . Эта машина в модифицированном виде впоследствии была известна как динамо Сименс. В настоящее время за этими машинами последовали Schuckert , Gulcher , Fein, Brush , Hochhausen , Edison и динамо-машины многих других изобретателей. На заре динамо-машиностроения машины в основном были устроены как генераторы постоянного тока, и, возможно, наиболее важным применением таких машин в то время было гальваническое покрытие, для чего использовались машины низкого напряжения и большой силы тока.
Начиная примерно с 1887 года, генераторы переменного тока начали широко эксплуатироваться, и промышленная разработка трансформатора, с помощью которого токи низкого напряжения и большой силы тока преобразуются в токи высокого напряжения и малой силы тока, и наоборот, со временем произвела революцию в мире. передача электроэнергии на большие расстояния. Точно так же внедрение вращающегося преобразователя (в сочетании с «понижающим» трансформатором), который преобразует переменные токи в постоянные (и наоборот), дало большую экономию при эксплуатации электроэнергетических систем.
До появления динамо-электрических машин, гальванических или первичных, батареи широко использовались для гальваники и телеграфии. Существует два различных типа гальванических элементов: «открытый» и «закрытый», или «постоянный». Вкратце, открытый тип - это тот тип, который работает по замкнутой цепи, через короткое время становится поляризованным; то есть в ячейке выделяются газы, которые оседают на отрицательной пластине и создают сопротивление, уменьшающее силу тока. После короткого интервала разомкнутого контура эти газы удаляются или абсорбируются, и электролизер снова готов к работе. Ячейки с замкнутым контуром - это ячейки, в которых газы в ячейках абсорбируются так же быстро, как и высвобождаются, и, следовательно, выход ячейки практически однороден. В Leclanché и клетка Daniell , соответственно, знакомые примеры «открытого» и «закрытого» типа гальванического элемента. Батареи типа Даниэля или «гравитационного» типа использовались почти в основном в Соединенных Штатах и Канаде в качестве источника электродвижущей силы в телеграфии до того, как стали доступны динамо-машины.
В конце 19 века термин светоносный эфир , означающий светоносный эфир , был предполагаемой средой для распространения света. Слово эфир происходит через латынь от греческого αιθήρ, от корня, означающего зажигать, гореть или сиять. Он означает вещество, которое, как считалось в древние времена, заполняло верхние области космоса за пределами облаков.
Максвелл
В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл из Эдинбурга объявил о своей электромагнитной теории света, которая, возможно, стала величайшим шагом в мировом познании электричества. Максвелл изучал и комментировал поле электричества и магнетизма еще в 1855/6, когда Кембриджскому философскому обществу были зачитаны сведения о силовых линиях Фарадея . В документе представлена упрощенная модель работы Фарадея и того, как эти два явления связаны. Он свел все текущие знания в связанный набор дифференциальных уравнений с 20 уравнениями с 20 переменными. Эта работа была позже опубликована в марте 1861 года под названием « О физических силовых линиях». Чтобы определить силу, действующую на любую часть машины, мы должны найти ее импульс, а затем вычислить скорость, с которой этот импульс изменяется. Такая скорость изменений придаст нам силы. Метод расчета, который необходимо использовать, был сначала дан Лагранжем , а затем развит с некоторыми изменениями уравнениями Гамильтона . Обычно это называют принципом Гамильтона ; когда используются уравнения в исходной форме, они известны как уравнения Лагранжа . Теперь Максвелл логически показал, как эти методы расчета могут быть применены к электромагнитному полю. Энергия динамической системы частично кинетическая , частично потенциальная . Максвелл предполагает, что магнитная энергия поля - это кинетическая энергия , потенциал электрической энергии .
Примерно в 1862 году, читая лекции в Королевском колледже, Максвелл подсчитал, что скорость распространения электромагнитного поля приблизительно равна скорости света. Он счел это больше, чем просто совпадением, и прокомментировал: « Вряд ли можно избежать вывода о том, что свет состоит из поперечных волн одной и той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений ».
Продолжая работу над проблемой, Максвелл показал, что уравнения предсказывают существование волн колеблющихся электрических и магнитных полей, которые проходят через пустое пространство со скоростью, которую можно предсказать из простых электрических экспериментов; используя данные, доступные в то время, Максвелл получил скорость 310 740 000 м / с . В своей статье 1864 года «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл писал: «Согласованность результатов, кажется, показывает, что свет и магнетизм - это воздействия одного и того же вещества, и что свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся через поле в соответствии с электромагнитными законами» .
Как уже отмечалось здесь, Фарадей, а до него Ампер и другие предполагали, что светоносный эфир пространства также является средой для электрического воздействия. Расчетами и экспериментами было известно, что скорость электричества составляет приблизительно 186 000 миль в секунду; то есть равной скорости света, что само по себе наводит на мысль о связи между -электричеством и «светом». Ряд более ранних философов или математиков, как их называет Максвелл, XIX века придерживались мнения, что электромагнитные явления можно объяснить действием на расстоянии. Максвелл вслед за Фарадеем утверждал, что очаг явлений находится в среде. Методы математиков при получении результатов были синтетическими, а методы Фарадея - аналитическими. Фарадей мысленным взором видел силовые линии, пересекающие все пространство, а математики видели центры силы, притягивающиеся на расстоянии. Фарадей искал причину явлений в реальных действиях, происходящих в среде; они были удовлетворены тем, что нашли это в силе воздействия на электрические жидкости на расстоянии.
Оба эти метода, как указывает Максвелл, преуспели в объяснении распространения света как электромагнитного явления, в то время как фундаментальные представления о величинах, о которых идет речь, радикально различались. Математики предположили, что изоляторы являются барьером для электрического тока; что, например, в лейденской банке или электрическом конденсаторе электричество накапливалось на одной пластине и что каким-то оккультным действием на расстоянии электричество противоположного типа притягивалось к другой пластине.
Максвелл, глядя дальше Фарадея, рассуждал, что если свет является электромагнитным явлением и передается через диэлектрики, такие как стекло, это явление должно быть по природе электромагнитных токов в диэлектриках. Поэтому он утверждал, что при зарядке конденсатора, например, действие не останавливается на изоляторе, но что в изолирующей среде возникают некоторые «смещающие» токи, которые продолжаются до тех пор, пока сила сопротивления среды не станет равной этому значению. зарядной силы. В цепи с замкнутым проводником электрический ток также является вытеснением электричества.
Проводник предлагает определенное сопротивление, подобное трению, перемещению электричества, и в проводнике вырабатывается тепло, пропорциональное квадрату тока (как уже было указано здесь), который течет, пока сохраняется движущая электрическая сила. . Это сопротивление можно сравнить с сопротивлением корабля, перемещающегося в воде по мере продвижения. Сопротивление диэлектрика имеет другую природу, и его сравнивают со сжатием множества пружин, которые при сжатии уступают место возрастанию противодавления до точки, где полное противодавление равно начальному давлению. Когда начальное давление снимается, энергия, затрачиваемая на сжатие «пружин», возвращается в контур одновременно с возвращением пружин в их исходное состояние, что вызывает реакцию в противоположном направлении. Следовательно, ток из-за смещения электричества в проводнике может быть непрерывным, в то время как токи смещения в диэлектрике являются мгновенными, а в цепи или среде, которая содержит лишь небольшое сопротивление по сравнению с реакцией емкости или индуктивности, токи разряда равны колебательного или переменного характера.
Максвелл распространил этот взгляд на токи смещения в диэлектриках на эфир свободного пространства. Предполагая, что свет является проявлением изменений электрических токов в эфире и колеблется со скоростью световых колебаний, эти индукционные колебания вызывают соответствующие колебания в прилегающих частях эфира, и, таким образом, колебания, соответствующие колебаниям света. распространяются в эфире как электромагнитный эффект. Электромагнитная теория света Максвелла, очевидно, предполагала существование электрических волн в свободном пространстве, и его последователи поставили перед собой задачу экспериментально продемонстрировать истинность теории. К 1871 году он представил Замечания по математической классификации физических величин .
Конец 19 века
В 1887 году немецкий физик Генрих Герц в серии экспериментов доказал реальное существование электромагнитных волн , показав, что поперечные электромагнитные волны в свободном пространстве могут распространяться на некоторое расстояние, как предсказывали Максвелл и Фарадей. Герц опубликовал свою работу в книге под названием « Электрические волны: исследования распространения электрического воздействия с конечной скоростью в пространстве» . Открытие электромагнитных волн в космосе привело к развитию радио в последние годы 19 века.
Электрон в качестве единицы заряда в электрохимии был положенным Г. Джонстон Стони в 1874 году, который также ввел термин электрон в 1894. плазмы впервые был идентифицирован в трубке Крукс , и таким образом , описываемый Уильям Крукс в 1879 году (он назвал его «сияющая материя»). Нельзя упускать из виду место электричества, которое привело к открытию этих прекрасных явлений трубки Крукса (благодаря сэру Уильяму Круксу), а именно катодных лучей, а затем и к открытию рентгеновских лучей или рентгеновских лучей , поскольку без электричества в качестве возбудителя трубки открытие лучей можно было бы отложить на неопределенное время. Здесь было отмечено, что д-р Уильям Гилберт был назван основателем электротехники. Однако это следует рассматривать как сравнительное утверждение.
Оливер Хевисайд был ученым-самоучкой, который переформулировал уравнения поля Максвелла в терминах электрических и магнитных сил и потока энергии, а также независимо сформулировал векторный анализ .
В конце 1890-х годов ряд физиков предположили, что электричество, наблюдаемое при исследованиях электропроводности в проводниках, электролитах и электронно-лучевых трубках , состояло из дискретных единиц, которым давали множество названий, но на самом деле эти единицы не существовали. были убедительно подтверждены. Однако были также свидетельства того, что катодные лучи обладают волнообразными свойствами.
Фарадей, Вебер , Гельмгольц , Клиффорд и другие видели проблески этого взгляда; и экспериментальные работы Зеемана , Гольдштейна , Крукса, Дж. Дж. Томсона и других значительно укрепили эту точку зрения. Вебер предсказал, что электрические явления были вызваны существованием электрических атомов, влияние которых друг на друга зависело от их положения и относительных ускорений и скоростей. Гельмгольц и другие также утверждали, что существование электрических атомов следует из законов электролиза Фарадея , а Джонстон Стони, которому принадлежит термин «электрон», показал, что каждый химический ион разложившегося электролита несет определенное и постоянное количество электричества. и поскольку эти заряженные ионы разделены на электродах как нейтральные вещества, должен быть момент, каким бы коротким он ни был, когда заряды должны быть способны существовать отдельно как электрические атомы; в то время как в 1887 году Клиффорд писал: «Есть серьезные основания полагать, что каждый материальный атом несет через себя небольшой электрический ток, если он не полностью состоит из этого тока».
В 1896 году Дж. Дж. Томсон провел эксперименты, показывающие, что катодные лучи действительно были частицами, нашел точное значение их отношения заряда к массе e / m и обнаружил, что e / m не зависит от материала катода. Он сделал хорошие оценки как заряда e, так и массы m, обнаружив, что частицы катодного луча, которые он назвал «корпускулами», имели, возможно, одну тысячную массы наименее массивного известного иона (водорода). Он также показал, что отрицательно заряженные частицы, производимые радиоактивными материалами, нагретыми материалами и освещенными материалами, являются универсальными. Природа вещества « катодного луча » трубки Крукса была установлена Томсоном в 1897 году.
В конце 19 века эксперимент Майкельсона-Морли был проведен Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом В. Морли в том, что сейчас является Западным резервным университетом Кейса . Обычно это считается свидетельством против теории светоносного эфира . Эксперимент также называют «отправной точкой для теоретических аспектов Второй научной революции». В первую очередь за эту работу Майкельсон был удостоен Нобелевской премии в 1907 году. Дейтон Миллер продолжил эксперименты, провел тысячи измерений и в конечном итоге разработал самый точный интерферометр в мире на то время. Миллер и другие, такие как Морли, продолжают наблюдения и эксперименты, связанные с этими концепциями. Ряд предложенных теорий перетаскивания эфира могли объяснить нулевой результат, но они были более сложными и, как правило, использовали произвольно выглядящие коэффициенты и физические предположения.
К концу 19 века инженеры-электрики стали отдельной профессией, отдельной от физиков и изобретателей. Они создали компании, которые исследовали, разработали и усовершенствовали методы передачи электроэнергии, и заручились поддержкой правительств всего мира для создания первой всемирной сети электросвязи - телеграфной сети . Пионерами в этой области были Вернер фон Сименс , основатель Siemens AG в 1847 году, и Джон Пендер , основатель Cable & Wireless .
Уильям Стэнли провел первую публичную демонстрацию трансформатора, который обеспечил коммерческую поставку переменного тока в 1886 году. Большие двухфазные генераторы переменного тока были построены британским электриком Дж. Э. Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали первые генераторы переменного тока. производящие частоты от 100 до 300 герц. После 1891 года были введены многофазные генераторы переменного тока для питания токов нескольких различных фаз. Более поздние генераторы переменного тока были разработаны для изменения частот переменного тока от шестнадцати до примерно ста герц, для использования с дуговой подсветкой, лампами накаливания и электродвигателями.
Возможность получения электрического тока в больших количествах и экономично с помощью динамо-электрических машин дала толчок развитию ламп накаливания и дугового освещения. Пока эти машины не получили коммерческую основу, гальванические батареи были единственным доступным источником тока для электрического освещения и питания. Однако стоимость этих батарей и трудности с поддержанием их надежной работы не позволяли использовать их для практических целей освещения. Датой использования дуговых ламп и ламп накаливания можно считать около 1877 года.
Однако даже в 1880 г. мало что было сделано в отношении общего использования этих осветительных приборов; последующий быстрый рост этой отрасли общеизвестен. Использование аккумуляторных батарей , которые первоначально назывались вторичными батареями или аккумуляторами, началось примерно в 1879 году. Такие батареи в настоящее время широко используются в качестве вспомогательного оборудования для динамо-машин в электростанциях и подстанциях, в электромобилях и в огромном количестве в других странах. автомобильные системы зажигания и запуска, а также в телеграфных системах пожарной сигнализации и других системах сигнализации.
Для Всемирной Колумбийской международной выставки 1893 года в Чикаго компания General Electric предложила обеспечить всю ярмарку постоянным током . Westinghouse немного подорвала предложение GE и использовала выставку для дебюта своей системы на основе переменного тока, демонстрируя, как их система может приводить в действие многофазные двигатели и все другие экспонаты переменного и постоянного тока на выставке.
Вторая промышленная революция
Вторая промышленная революция, также известная как технологическая революция, была фазой быстрой индустриализации в последней трети XIX - начале XX века. Наряду с расширением железных дорог , производства чугуна и стали , повсеместным использованием машинного оборудования в производстве, значительным увеличением использования энергии пара и нефти , в этот период наблюдалось расширение использования электричества и адаптация теории электромагнетизма при разработке различных технологий.
1880-е годы стали свидетелями распространения крупномасштабных коммерческих электроэнергетических систем, которые сначала использовались для освещения, а затем для электродвигателя и отопления. В системах раньше использовались переменный и постоянный ток . Крупное централизованное производство электроэнергии стало возможным, когда было признано, что в линиях электропередачи переменного тока могут использоваться трансформаторы, чтобы воспользоваться преимуществом того факта, что каждое удвоение напряжения позволяет кабелю того же размера передавать такое же количество энергии в четыре раза большее расстояние. Трансформатор использовался для повышения напряжения в точке генерации (репрезентативное число - напряжение генератора в диапазоне низких киловольт) до гораздо более высокого напряжения (от десятков тысяч до нескольких сотен тысяч вольт) для первичной передачи с последующим несколькими понижающими преобразованиями, для коммерческого и бытового использования. Между 1885 и 1890 годами были разработаны многофазные токи в сочетании с электромагнитной индукцией и практическими асинхронными двигателями переменного тока .
Международная электротехническая выставка 1891 с изображением передачи на большие расстояния высокой мощности, электрического тока трехфазного. Он проходил с 16 мая по 19 октября на заброшенном месте трех бывших Westbahnhöfe (Западных вокзалов) во Франкфурте-на-Майне. На выставке была представлена первая передача на большие расстояния трехфазного электрического тока большой мощности, которая была произведена в 175 км от города Лауффен-на-Неккаре. В результате этих успешных полевых испытаний трехфазный ток стал применяться для сетей электропередачи по всему миру.
Многое было сделано в направлении усовершенствования железнодорожных терминалов, и трудно найти хотя бы одного инженера паровой железной дороги, который бы отрицал, что все важные паровые железные дороги этой страны не должны управляться электричеством. В других направлениях развитие событий в отношении использования электроэнергии ожидалось столь же быстрым. Во всех частях света сила падающей воды, вечный двигатель природы, который тратится зря с самого зарождения мира, теперь преобразуется в электричество и передается по проводам на сотни миль в места, где он используется с пользой и экономичностью. .
Первая ветряная мельница для производства электроэнергии была построена в Шотландии в июле 1887 года шотландским инженером-электриком Джеймсом Блайтом . На другом берегу Атлантического океана, в Кливленде, штат Огайо, более крупная и тщательно спроектированная машина была спроектирована и построена в 1887–88 Чарльзом Ф. Брашем , она была построена его инженерной компанией в его доме и эксплуатировалась с 1886 по 1900 годы. ротор диаметром 56 футов (17 м) был установлен на 60-футовой (18 м) башне. Несмотря на большие размеры по сегодняшним меркам, машина была рассчитана только на 12 кВт; он вращался относительно медленно, так как у него было 144 лезвия. Подключенная динамо-машина использовалась либо для зарядки батареи батарей, либо для работы до 100 ламп накаливания , трех дуговых ламп и различных двигателей в лаборатории Браша. Машина вышла из употребления после 1900 года, когда электричество стало доступно с центральных станций Кливленда, и была заброшена в 1908 году.
20 век
Различные единицы электричества и магнетизма были приняты и названы представителями институтов электротехники мира, эти единицы и названия были подтверждены и легализованы правительствами США и других стран. Таким образом, вольт, от итальянского Volta, был принят как практическая единица электродвижущей силы, ом, от заявителя закона Ома, как практическая единица сопротивления; ампера , после известного французского ученого этого имени, как практическая единица силы тока, генри в качестве практической единицы индуктивности, после Джозефа Генри и в знак признания его ранней и важной экспериментальной работы во взаимной индукции.
Дьюар и Джон Амброуз Флеминг предсказали, что при абсолютном нуле чистые металлы станут идеальными электромагнитными проводниками (хотя позже Дьюар изменил свое мнение об исчезновении сопротивления, полагая, что какое-то сопротивление всегда будет). Вальтер Герман Нернст разработал третий закон термодинамики и заявил, что абсолютный ноль недостижим. Карл фон Линде и Уильям Хэмпсон , коммерческие исследователи, почти одновременно подали заявки на патенты на эффект Джоуля-Томсона . Патент Linde стал кульминацией 20-летнего систематического исследования установленных фактов с использованием регенеративного метода противотока. В конструкции Хэмпсона также использовался регенеративный метод. Комбинированный процесс стал известен как процесс сжижения Линде – Хэмпсона . Хайке Камерлинг-Оннес приобрел машину Linde для своих исследований. Зигмунт Флорентий Врублевский проводил исследования электрических свойств при низких температурах, хотя его исследования закончились досрочно из-за его смерти в результате несчастного случая. Примерно в 1864 году Кароль Ольшевский и Вроблевски предсказали электрические явления падения уровней сопротивления при сверхнизких температурах. Ольшевский и Вроблевский документально подтвердили это в 1880-х годах. Важная веха была достигнута 10 июля 1908 года, когда Оннес в Лейденском университете в Лейдене впервые произвел сжиженный гелий и достиг сверхпроводимости .
В 1900 году Уильям Дю Буа Дадделл разработал « Поющую арку» и произвел с помощью этой дуговой лампы мелодичные звуки, от низкого до высокого тона.
Лоренц и Пуанкаре
Между 1900 и 1910 годами многие ученые, такие как Вильгельм Вин , Макс Абрахам , Герман Минковский или Густав Ми, считали, что все силы природы имеют электромагнитное происхождение (так называемое «электромагнитное мировоззрение»). Это было связано с электронной теорией, разработанной между 1892 и 1904 годами Хендриком Лоренцом . Лоренц ввел строгое разделение между материей (электронами) и эфиром, в результате чего в его модели эфир полностью неподвижен и не будет приводиться в движение в окрестности весомой материи. В отличие от других электронных моделей ранее, электромагнитное поле эфира выступает в качестве посредника между электронами, и изменения в этом поле могут распространяться не быстрее скорости света.
В 1896 году, через три года после защиты диссертации по эффекту Керра , Питер Зееман не повиновался прямым приказам своего руководителя и использовал лабораторное оборудование для измерения расщепления спектральных линий сильным магнитным полем. Лоренц теоретически объяснил эффект Зеемана на основе своей теории, за которую оба получили Нобелевскую премию по физике в 1902 году. Фундаментальной концепцией теории Лоренца в 1895 году была «теорема о соответствующих состояниях» для членов порядка v / c. Эта теорема утверждает, что движущийся наблюдатель (относительно эфира) делает те же наблюдения, что и покоящийся наблюдатель. Эта теорема была расширена для членов всех порядков Лоренцем в 1904 году. Лоренц заметил, что необходимо изменить пространственно-временные переменные при изменении системы отсчета, и ввел такие понятия, как сокращение физической длины (1892), чтобы объяснить эксперимент Майкельсона – Морли, и математическая концепция местного времени (1895 г.) для объяснения аберрации света и эксперимент Физо . Это привело к разработке так называемого преобразования Лоренца по Лармор (1897, 1900) и Лоренца (1899, 1904). Как позже заметил Лоренц (1921, 1928), он считал время, указанное часами, покоящимися в эфире, «истинным» временем, в то время как местное время рассматривалось им как эвристическая рабочая гипотеза и математическая уловка. Следовательно, теорема Лоренца рассматривается современными историками как математическое преобразование «реальной» системы, покоящейся в эфире, в «фиктивную» систему в движении.
Продолжая работу Лоренца, Анри Пуанкаре между 1895 и 1905 годами неоднократно формулировал принцип относительности и пытался согласовать его с электродинамикой. Он объявил одновременность лишь удобным условием, зависящим от скорости света, в результате чего постоянство скорости света было бы полезным постулатом для того, чтобы сделать законы природы настолько простыми, насколько это возможно. В 1900 году он интерпретировал местное время Лоренца как результат синхронизации часов по световым сигналам и ввел электромагнитный импульс, сравнивая электромагнитную энергию с тем, что он назвал «фиктивной жидкостью» массы . И, наконец, в июне и июле 1905 года он объявил принцип относительности общим законом природы, включая гравитацию. Он исправил некоторые ошибки Лоренца и доказал лоренц-ковариантность электромагнитных уравнений. Пуанкаре также предположил, что существуют неэлектрические силы для стабилизации электронной конфигурации, и утверждал, что гравитация также является неэлектрической силой, вопреки электромагнитному мировоззрению. Однако историки указали, что он все еще использовал понятие эфира и различал «видимое» и «реальное» время и поэтому не изобрел специальную теорию относительности в ее современном понимании.
Анн Мирабилис Эйнштейна
В 1905 году, когда он работал в патентном бюро, Альберт Эйнштейн опубликовал четыре статьи в Annalen der Physik , ведущем немецком физическом журнале. Вот документы, которые история стала называть бумагами Аннуса Мирабилис :
- Его статья о природе света в виде частиц выдвинула идею о том, что некоторые экспериментальные результаты, в частности фотоэлектрический эффект , можно просто понять из постулата о том, что свет взаимодействует с материей как дискретные «пакеты» ( кванты ) энергии, идея, которая была введенный Максом Планком в 1900 году как чисто математическая манипуляция, который, казалось, противоречил современным волновым теориям света ( Einstein 1905a ). Это была единственная работа Эйнштейна, которую он сам назвал «революционной».
- Его статья о броуновском движении объяснила случайное движение очень маленьких объектов как прямое свидетельство молекулярного действия, таким образом поддерживая атомную теорию . ( Эйнштейн 1905b )
- Его статья по электродинамике движущихся тел представила радикальную теорию относительности , которая показала, что наблюдаемая независимость скорости света от состояния движения наблюдателя требует фундаментальных изменений в понятии одновременности . Последствия этого включают пространственно-временную систему отсчета движущегося тела, замедляющуюся и сжимающуюся (в направлении движения) относительно системы отсчета наблюдателя. В этой статье также утверждается, что идея светоносного эфира - одного из ведущих теоретических объектов в физике того времени - была излишней. ( Эйнштейн 1905c )
- В своей статье об эквивалентности массы и энергии (ранее считавшейся отдельными концепциями) Эйнштейн вывел из своих уравнений специальной теории относительности то, что позже стало хорошо известным выражением: предполагая, что крошечные количества массы могут быть преобразованы в огромные количества энергии. ( Эйнштейн 1905d )
Все четыре статьи сегодня признаны огромными достижениями, и поэтому 1905 год известен как « чудесный год Эйнштейна ». В то время, однако, большинство физиков не замечали их важности, и многие из тех, кто заметил их, категорически отвергали их. Некоторые из этих работ - например, теория световых квантов - оставались спорными в течение многих лет.
Середина 20 века
Первая формулировка квантовой теории, описывающей взаимодействие излучения и материи, принадлежит Полю Дираку , который в 1920 году впервые смог вычислить коэффициент спонтанного излучения атома . Поль Дирак описал квантование электромагнитного поля как ансамбль гармонических осцилляторов с введением концепции операторов рождения и уничтожения частиц. В последующие годы, благодаря вкладам Вольфганга Паули , Юджина Вигнера , Паскуаля Джордана , Вернера Гейзенберга и элегантной формулировке квантовой электродинамики Энрико Ферми , физики пришли к выводу, что в принципе можно выполнить любые вычисления для любых физический процесс с участием фотонов и заряженных частиц. Однако дальнейшие исследования Феликса Блоха с Арнольдом Нордсиком и Виктором Вайскопфом в 1937 и 1939 годах показали, что такие вычисления были надежными только в первом порядке теории возмущений - проблема, уже отмеченная Робертом Оппенгеймером . На более высоких порядках в серии появлялись бесконечности, делающие такие вычисления бессмысленными и вызывающие серьезные сомнения во внутренней непротиворечивости самой теории. Поскольку в то время не было известно решения этой проблемы, казалось, что существует фундаментальная несовместимость между специальной теорией относительности и квантовой механикой .
В декабре 1938 года немецкие химики Отто Ган и Штрассман послал рукопись в Naturwissenschaften отчетности они обнаружили элемент барий после бомбардировки урана с нейтронами ; одновременно они сообщили эти результаты Лизе Мейтнер . Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш правильно интерпретировали эти результаты как деление ядра . Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года. В 1944 году Хан получил Нобелевскую премию по химии за открытие ядерного деления. Некоторые историки, задокументировавшие историю открытия ядерного деления, считают, что Мейтнер должна была получить Нобелевскую премию вместе с Ханом.
Трудности с квантовой теорией увеличились до конца 1940 года. Улучшения в микроволновой технологии позволили проводить более точные измерения сдвига уровней атома водорода , известного теперь как лэмбовский сдвиг и магнитный момент электрона. Эти эксперименты недвусмысленно выявили несоответствия, которые теория не могла объяснить. С изобретением пузырьковых и искровых камер в 1950-х годах экспериментальная физика элементарных частиц открыла большое и постоянно растущее число частиц, называемых адронами . Казалось, что такое большое количество частиц не может быть все фундаментальным .
Вскоре после окончания войны в 1945 году Bell Labs сформировала Группу по физике твердого тела, которую возглавили Уильям Шокли и химик Стэнли Морган; другие сотрудники, включая Джона Бардина и Уолтера Браттейна , физика Джеральда Пирсона, химика Роберта Гибни, эксперта по электронике Гилберта Мура и нескольких технических специалистов. Их задача заключалась в поиске твердотельной альтернативы хрупким ламповым усилителям из стекла . Их первые попытки были основаны на идеях Шокли об использовании внешнего электрического поля на полупроводнике, чтобы повлиять на его проводимость. Эти эксперименты всякий раз терпели неудачу в самых разных конфигурациях и материалах. Группа стояла на месте, пока Бардин не предложил теорию, основанную на поверхностных состояниях, которые не позволяли полю проникать в полупроводник. Группа сменила фокус на изучение этих поверхностных состояний, и они собирались почти ежедневно, чтобы обсудить работу. В группе было отличное взаимопонимание, и происходил свободный обмен идеями.
Что касается проблем в электронных экспериментах, путь к решению был указан Гансом Бете . В 1947 году, когда он ехал на поезде, чтобы добраться до Скенектади из Нью-Йорка, после выступления на конференции на острове Шелтер на эту тему, Бете завершил первое нерелятивистское вычисление сдвига линий атома водорода, измеренного. Лэмба и Ретерфорда. Несмотря на ограничения вычислений, согласие было отличным. Идея заключалась в том, чтобы просто добавить бесконечности к поправкам на массу и заряд , которые фактически были зафиксированы на конечном значении экспериментально. Таким образом, бесконечности поглощаются этими константами и дают конечный результат, хорошо согласующийся с экспериментом. Эта процедура получила название перенормировки .
Основываясь на интуиции Бете и фундаментальных работах по этому вопросу Синьитиро Томонага , Джулиана Швингера , Ричарда Фейнмана и Фримена Дайсона , наконец стало возможным получить полностью ковариантные формулировки, которые были бы конечными в любом порядке в серии возмущений квантовой электродинамики. Синъитиро Томонага, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман были совместно удостоены Нобелевской премии по физике в 1965 году за свои работы в этой области. Их вклад, и те , Фримен Дайсон , был о ковариантных и калибровочных-инвариантных формулировках квантовой электродинамики , которые позволяют расчеты наблюдаемых в любом порядке теории возмущений . Математическая техника Фейнмана, основанная на его диаграммах , поначалу казалась очень отличной от теоретико-полевого, основанного на операторах подхода Швингера и Томонаги, но Фримен Дайсон позже показал, что эти два подхода эквивалентны. Перенормировка , необходимость придать физический смысл некоторым расхождениям, появляющимся в теории, через интегралы , впоследствии стала одним из фундаментальных аспектов квантовой теории поля и стала рассматриваться как критерий общей приемлемости теории. Несмотря на то, что на практике перенормировка работает очень хорошо, Фейнман никогда не чувствовал себя полностью уверенным в ее математической достоверности, даже говоря о перенормировке как о «игре в ракушки» и «фокус-покусе». КЭД послужила моделью и шаблоном для всех последующих квантовых теорий поля. Питер Хиггс , Джеффри Голдстоун и другие, Шелдон Глэшоу , Стивен Вайнберг и Абдус Салам независимо показали, как слабое ядерное взаимодействие и квантовая электродинамика могут быть объединены в одну электрослабую силу .
Роберт Нойс приписывает Леговец для принципа р - п - переход изоляции , вызванного действием смещенного р - п - перехода (диод) в качестве ключевой концепции позади интегральной схемы . Джек Килби записал свои первоначальные идеи относительно интегральной схемы в июле 1958 года и успешно продемонстрировал первую работающую интегральную схему 12 сентября 1958 года. В своей патентной заявке от 6 февраля 1959 года Килби описал свое новое устройство как «корпус из полупроводникового материала. .. в котором все компоненты электронной схемы полностью интегрированы ». Килби получил Нобелевскую премию по физике в 2000 году за изобретение интегральной схемы. Роберт Нойс также выступил с собственной идеей интегральной схемы на полгода позже Килби. Чип Нойса решил множество практических проблем, которых не было у Килби. Микросхема Нойса, изготовленная в Fairchild Semiconductor , была сделана из кремния , а микросхема Килби - из германия .
Фило Фарнсворт разработал аппарат Фарнсворта-Хирша Фузор , или просто фузор, аппарат, разработанный Фарнсвортом для создания ядерного синтеза . В отличие от большинства систем управляемого термоядерного синтеза, которые медленно нагревают плазму , удерживаемую магнитом , фузор вводит высокотемпературные ионы непосредственно в реакционную камеру, тем самым избегая значительной сложности. Когда в конце 1960-х фузор Фарнсворта-Хирша был впервые представлен миру исследователей термоядерного синтеза, фузор был первым устройством, которое могло ясно продемонстрировать, что оно вообще вызывает термоядерные реакции. В то время были большие надежды на то, что его можно будет быстро превратить в практический источник энергии. Однако, как и в случае с другими термоядерными экспериментами, разработка источника энергии оказалась сложной задачей. Тем не менее, фузор с тех пор стал практическим источником нейтронов и для этой роли коммерчески производится.
Нарушение четности
Зеркальное отображение электромагнита создает поле противоположной полярности. Таким образом, северный и южный полюса магнита имеют такую же симметрию, как левый и правый. До 1956 года считалось, что эта симметрия идеальна, и что техник не сможет различить северный и южный полюса магнита, кроме как по левому и правому. В том же году Т. Д. Ли и К. Н. Ян предсказали несохранение четности в слабом взаимодействии. К удивлению многих физиков, в 1957 CS Ву и сотрудников в Национальном бюро стандартов продемонстрировали , что при подходящих условиях для поляризации ядер бета - распада из кобальта-60 преимущественно высвобождает электроны к южному полюсу внешнего магнитного поля, и несколько большее количество гамма-лучей по направлению к северному полюсу. В результате экспериментальная установка не ведет себя сравнимо с ее зеркальным отображением.
Электрослабая теория
Первым шагом к Стандартной модели было открытие Шелдоном Глэшоу в 1960 году способа объединения электромагнитного и слабого взаимодействий . В 1967 году Стивен Вайнберг и Абдус Салам включили механизм Хиггса в электрослабую теорию Глэшоу , придав ей современную форму. Считается, что механизм Хиггса определяет массы всех элементарных частиц Стандартной модели. Сюда входят массы W- и Z-бозонов , а также массы фермионов, то есть кварков и лептонов . После нейтральных слабых токов, вызванных
Z
бозонный обмен был открыт в ЦЕРНе в 1973 г., теория электрослабого взаимодействия получила широкое признание, и Глэшоу, Салам и Вайнберг разделили Нобелевскую премию по физике 1979 г. за ее открытие. Бозоны W и Z были экспериментально открыты в 1981 году, и их массы оказались такими, как предсказывает Стандартная модель. Теория сильного взаимодействия , в которую многие внесли свой вклад, приобрела свою современную форму примерно в 1973–74 годах, когда эксперименты подтвердили, что адроны состоят из частично заряженных кварков. С установлением квантовой хромодинамики в 1970-х годах был завершен набор фундаментальных и обменных частиц, что позволило создать « стандартную модель », основанную на математике калибровочной инвариантности , которая успешно описывала все силы, кроме гравитации, и которая в целом остается принимается в домене, к которому он предназначен.
«Стандартная модель» группирует теорию электрослабого взаимодействия и квантовую хромодинамику в структуру, обозначаемую калибровочной группой SU (3) × SU (2) × U (1) . Формулировка объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в стандартной модели принадлежит Абдусу Саламу , Стивену Вайнбергу и, впоследствии, Шелдону Глэшоу . После открытия, сделанного в ЦЕРНе , существования нейтральных слабых токов , опосредованных
Z
Бозон, предусмотренный в стандартной модели, физики Салам, Глэшоу и Вайнберг получили Нобелевскую премию по физике 1979 г. за свою теорию электрослабого взаимодействия. С тех пор открытия нижнего кварка (1977 г.), верхнего кварка (1995 г.) и тау-нейтрино (2000 г.) подтвердили стандартную модель.
21-го века
Электромагнитные технологии
Есть целый ряд новых энергетических технологий . К 2007 году твердотельные электрические двухслойные конденсаторы микрометрового размера, основанные на передовых суперионных проводниках, предназначались для низковольтной электроники, такой как наноэлектроника с глубоким пониженным напряжением и связанных с ними технологий (22-нм технологический узел CMOS и выше). Кроме того, в 2007 году группа ученых под руководством доктора И Цуй изобрела литий-ионную батарею с нанопроволокой .
Магнитный резонанс
Отражая фундаментальную важность и применимость магнитно-резонансной томографии в медицине, Пол Лаутербур из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и сэр Питер Мэнсфилд из Университета Ноттингема были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине 2003 года за их «открытия, касающиеся магнитного резонанса. визуализация ". Цитата из Нобелевской премии признала способность Лаутербура использовать градиенты магнитного поля для определения пространственной локализации - открытие, которое позволило быстро получать 2D-изображения.
Беспроводное электричество
Беспроводное электричество - это форма беспроводной передачи энергии , способность передавать электроэнергию удаленным объектам без проводов. Термин WiTricity был придуман в 2005 году Дэйвом Гердингом, а затем использовался для проекта под руководством профессора Марина Солячича в 2007 году. Исследователи Массачусетского технологического института успешно продемонстрировали возможность беспроводного питания 60- ваттной лампочки с помощью двух 5-витковых медных катушек по 60 см (24 дюйма ) в диаметре , которые находились на расстоянии 2 м (7 футов), при примерно 45% эффективности. Эта технология потенциально может использоваться в большом количестве приложений, включая потребительские, промышленные, медицинские и военные. Его цель - снизить зависимость от батарей. Другие применения этой технологии включают передачу информации - она не будет мешать радиоволнам и, таким образом, может использоваться как дешевое и эффективное устройство связи без лицензии или разрешения правительства.
Единые теории
Теории великого объединения (ТВО) представляет собой модель в физике элементарных частиц , в котором, при высокой энергии, электромагнитная сила объединяется с двумя другими калибровочных взаимодействий в стандартной модели , в слабых и сильных ядерных сил. Было предложено много кандидатов, но ни один из них напрямую не подтвержден экспериментальными данными. GUT часто рассматриваются как промежуточные шаги к " Теории всего " (TOE), предполагаемой теории теоретической физики, которая полностью объясняет и связывает воедино все известные физические явления и, в идеале, имеет предсказательную силу для результатов любого эксперимента, который может проводиться в принципе. Физическое сообщество еще не приняло такую теорию.
Открытые проблемы
Магнитный монополь в квантовой теории магнитного заряда начался с бумагой по физику Поля А. М. Дирак в 1931 г. Обнаружением магнитных монополей является открытой проблемой в экспериментальной физике. В некоторых теоретических моделях магнитные монополи вряд ли будут наблюдаться, потому что они слишком массивны, чтобы их можно было создать в ускорителях частиц , а также слишком редко во Вселенной, чтобы с большой вероятностью попасть в детектор частиц .
После более чем двадцати лет интенсивных исследований происхождение высокотемпературной сверхпроводимости все еще не ясно, но кажется, что вместо механизмов электрон-фононного притяжения , как в обычной сверхпроводимости, мы имеем дело с настоящими электронными механизмами (например, антиферромагнитными корреляциями). ), и вместо образования пар s-волн существенными являются пары d-волн . Одна из целей всех этих исследований - сверхпроводимость при комнатной температуре .
Смотрите также
- Истории
- История электромагнитного спектра , История электротехники , История уравнений Максвелла , История радио , История оптики , История физики
- Общий
- Закон Био-Савара , Пондеромоторное сила , Теллурические токи , земной магнетизм , Ампер часов , поперечные волны , продольные волны , плоские волны , показатель преломления , крутящий момент , число оборотов в минуту , Photosphere , вихревые , вихревые кольца ,
- Теория
- диэлектрическая проницаемость , скалярное произведение , векторное произведение , тензор , расходящийся ряд , линейный оператор , единичный вектор , параллелепипед , соприкасающаяся плоскость , стандартная свеча
- Технология
- Электромагнит , электромагниты , призмы Николя , реостат , вольтметр , провод , покрытый гуттаперчей , электрический провод , амперметры , машина Грамма , зажимные столбы , асинхронный двигатель , грозозащитные разрядники , Технологическая и промышленная история США , Western Electric Company ,
- Списки
- План развития энергетики
- Сроки
- Хронология электромагнетизма , Хронология светоносного эфира
использованная литература
- Цитаты и примечания
- Атрибуция
-
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в открытом доступе : « Электричество, его история и прогресс » Уильяма Мавера-младшего - статья, опубликованная в The Encyclopedia Americana; библиотека универсальных знаний , т. X, стр. 172 и далее. (1918). Нью-Йорк: Энциклопедия Americana Corp.
Библиография
- Бейкуэлл, ФК (1853). Электрическая наука; его история, явления и приложения . Лондон: Ингрэм, Кук.
- Бенджамин, П. (1898). История электричества (интеллектуальный подъем электричества) с древних времен до времен Бенджамина Франклина . Нью-Йорк: J. Wiley & Sons.
- Дарриголь, Оливье (2005), «Происхождение теории относительности» (PDF) , Séminaire Poincaré , 1 : 1–22, Bibcode : 2006eins.book .... 1D , doi : 10.1007 / 3-7643-7436- 5_1 , ISBN 978-3-7643-7435-8, получено 21.06.2009
- Дургин, WA (1912). Электричество, его история и развитие . Чикаго: AC McClurg.
- Эйнштейн, Альберт: « Эфир и теория относительности » (1920 г.), переизданный в « Обзор теории относительности» (Довер, Нью-Йорк, 1922 г.).
- Эйнштейн, Альберт, Исследование состояния эфира в магнитных полях , 1895 г. ( формат PDF )
- Эйнштейн, Альберт (1905a), «Об эвристической точке зрения на производство и преобразование света», Annalen der Physik , 17 (6): 132–148, Bibcode : 1905AnP ... 322..132E , doi : 10.1002 / andp .19053220607. Эта статья annus mirabilis о фотоэлектрическом эффекте была получена Annalen der Physik 18 марта.
- Эйнштейн, Альберт (1905b), «О движении малых частиц, взвешенных в неподвижной жидкости, - требуемом молекулярно-кинетической теорией тепла» (PDF) , Annalen der Physik , 17 (8): 549–560, Bibcode : 1905AnP ... 322..549E , DOI : 10.1002 / andp.19053220806. Эта статья annus mirabilis о броуновском движении была получена 11 мая.
- Эйнштейн, Альберт (1905c), «Об электродинамике движущихся тел» , Annalen der Physik , 17 (10): 891–921, Bibcode : 1905AnP ... 322..891E , doi : 10.1002 / andp.19053221004. Эта статья annus mirabilis по специальной теории относительности была получена 30 июня.
- Эйнштейн, Альберт (1905d), "Зависит ли инерция тела от его энергетического содержания?" , Annalen дер Physik , 18 (13): 639-641, Bibcode : 1905AnP ... 323..639E , DOI : 10.1002 / andp.19053231314. Эта статья annus mirabilis об эквивалентности массы и энергии была получена 27 сентября.
- Лармор, Джозеф (1911), , в Chisholm, Hugh (ed.), Encyclopædia Britannica , 1 (11-е изд.), Cambridge University Press, стр. 292–297
- Американская энциклопедия; библиотека универсальных знаний ; « Электричество, его история и прогресс ». (1918). Нью-Йорк: Энциклопедия Americana Corp., стр. 171
- Галисон, Питер (2003), Часы Эйнштейна, Карты Пуанкаре: Империи времени , Нью-Йорк: WW Norton, ISBN 0-393-32604-7
- Гибсон, CR (1907). Современное электричество, его работа и загадки описаны на нетехническом языке . Лондон: Seeley and co., Limited
- Хевисайд, О. (1894). Электромагнитная теория . Лондон: Печать "Электрик". и паб.
- Уполномоченные по физ. образов., (1861). Электричество, гальванизм, магнетизм, электромагнетизм, тепло и паровой двигатель . Оксфордский университет.
- Янссен, Мишель; Мекленбург, Мэтью (2007). «От классической к релятивистской механике: электромагнитные модели электрона» (PDF) . У В. Ф. Хендрикса; и другие. (ред.). Взаимодействие: математика, физика и философия, 1860-1930 гг . Дордрехт: Спрингер. С. 65–134.
- Джинсы, JH (1908). Математическая теория электричества и магнетизма . Кембридж: Издательство университета.
- Кацир, Шауль (2005), "Релятивистская физика Пуанкаре: ее происхождение и природа", Phys. Перспектива. , 7 (3): 268-292, Bibcode : 2005PhP ..... 7..268K , DOI : 10.1007 / s00016-004-0234-у , S2CID 14751280
- Лорд Кельвин (сэр Уильям Томсон) , « О вихревых атомах ». Труды Королевского общества Эдинбурга, Vol. VI, 1867, с. 197–206. (изд., перепечатано в Phil. Mag. Vol. XXXIV, 1867, стр. 15–24).
- Кольбе, Бруно; Фрэнсис Эд Легге, Джозеф Скеллон, тр., « Введение в электричество ». Кеган Пауль, Тренч, Трюбнер, 1908 г.
- Лодж, Оливер , « Эфир », Британская энциклопедия , тринадцатое издание (1926 г.).
- Лодж, Оливер, «Эфир космоса». ISBN 1-4021-8302-X (в мягкой обложке) ISBN 1-4021-1766-3 (в твердой обложке)
- Лодж, Оливер, «Эфир и реальность». ISBN 0-7661-7865-X
- Lyons, TA (1901). Трактат об электромагнитных явлениях, а также о компасе и его отклонениях на борту корабля . Математические, теоретические и практические. Нью-Йорк: J. Wiley & Sons.
- Максвелл, Джеймс Клерк (1878), , в Baynes, TS (ed.), Encyclopædia Britannica , 8 (9-е изд.), Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера, стр. 568–572
- Максвелл, Дж. К. и Томпсон, Дж. Дж. (1892). Трактат об электричестве и магнетизме . Серия Clarendon Press. Оксфорд: Кларендон.
- Миллер, Артур I. (1981), Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Появление (1905 г.) и ранняя интерпретация (1905–1911 гг.) , Чтение: Аддисон – Уэсли, ISBN 0-201-04679-2
- Паис, Авраам (1982), Тонкий Господь: Наука и жизнь Альберта Эйнштейна , Нью-Йорк: Oxford University Press, ISBN 0-19-520438-7
- Пристли Дж. И Минд Дж. (1775). История и современное состояние электричества с оригинальными экспериментами . Лондон: Отпечатано для К. Батерста и Т. Лаундса; Дж. Ривингтон и Дж. Джонсон; С. Краудер [и еще 4 человека в Лондоне].
- Шаффнер, Кеннет Ф.: теории эфира 19-го века, Oxford: Pergamon Press , 1972 г. (содержит несколько оттисков оригинальных работ известных физиков)
- Слинго, М., Брукер, А., Урбаницкий, А., Перри, Дж., И Дибнер, Б. (1895). Циклопедия электротехники: содержит историю открытия и применения электричества с его практикой и достижениями с самого раннего периода до настоящего времени: целое представляет собой практическое руководство для ремесленников, инженеров и студентов, интересующихся практикой и развитием электричества. , электрическое освещение, двигатели, термоэлементы, телеграф, телефон, магниты и все другие области применения электричества . Филадельфия: Паб Гебби. Co., Limited.
- Steinmetz, CP, " Переходные электрические явления ". Стр.38 . (ред., содержится в: General Electric Company. Обзор General Electric. Schenectady: General Electric Co. )
- Новая система двигателей и трансформаторов переменного тока , Никола Тесла , 1888 г.
- Томпсон, SP (1891). Электромагнит и электромагнитный механизм . Лондон: E. & FN Spon.
- Уиттакер, ET , " История теорий эфира и электричества, от эпохи Декарта до конца 19 века ". Серия изданий Дублинского университета. Лондон: Longmans, Green and Co .;
- Урбаницкий, A. v., & Wormell, R. (1886). Электричество на службе у человека: популярный практический трактат о применении электричества в современной жизни . Лондон: Cassell &.
внешние ссылки
- Electrickery , обсуждение BBC Radio 4 с Саймоном Шаффером, Патрисией Фара и Иваном Морусом ( In Our Time , 4 ноября 2004 г.)
- Магнетизм , обсуждение BBC Radio 4 со Стивеном Памфри, Джоном Хейлброном и Лизой Джардин (« В наше время» , 29 сентября 2005 г.)