Жанр: Энциклопедия
Сто великих научных открытий
... любого другого теплоносителя, как отметил Карно),
используемого в данной машине. Разность между этими температурами, деленная на
значение высокой температуры, равна КПД машины. Температуры при этом необходимо
выражать в градусах абсолютной шкалы Кельвина. Это уравнение называется вторым
началом термодинамики, и ему подчиняется вся техника.
Расчет по формуле Карно показал, что первые тепловые машины не могли иметь КПД
выше 7-8 процентов, а если учесть неизбежные утечки тепла в атмосферу, то
полученное значение 2-3 процента следует признать значительным достижением...
Довольно быстро наряду с паром, как и предсказывал Карно, в турбинах стали
использовать и газ, который можно нагреть до высокой температуры. Если
температура горячего газа в турбине 800 градусов Кельвина (527 градусов
Цельсия), а холодильник уменьшает ее до 300 градусов Кельвина, то максимальный
КПД машины, даже в случае работы по идеальному циклу Карно, не может быть выше
62 процентов. Неизбежные тепловые потери приводят, как всегда, к уменьшению и
этой цифры. У лучших образцов турбин, установленных на современных
электростанциях, КПД составляет 35-40 процентов.
Карно указал на специфическую особенность теплоты. Теплота создает механическую
работу только при тепловом "перепаде", т. е. наличии разности температур. Этой
разностью температур определяется коэффициент полезного действия тепловых машин.
Поль Клапейрон в 1834 году развил мысли Карно и ввел очень ценный в
термодинамических исследованиях графический метод.
В 1850 году вышла первая работа Рудольфа Клаузиуса (1822-1888) "О движущей силе
теплоты", в которой вновь после Карно и Клапейрона был поставлен вопрос об
условиях превращения тепла в работу. Принцип сохранения энергии, требуя только
количественного равенства, никаких условий для качественного превращения энергий
не налагает. В этой работе Клаузиус разбирает теорию Карно с новой точки зрения,
с точки зрения механической теории тепла.
Работа Карно была незадолго перед этим воскрешена из праха забвения Уильямом
Томсоном (Лорд Кельвин) (1824-1907). "Томсон признает, - пишет в своей книге
"История физики" П.С.Кудрявцев, - что взгляд Карно, что теплота в машинах только
перераспределяется, но не потребляется, неверен. Но одновременно он указывает,
что если отказаться от выводов Карно касательно условий превращения тепла в
работу, то встречаются непреодолимые трудности. Томсон делает вывод,
72
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
что теория тепла требует серьезной перестройки и дополнительного
экспериментального исследования. В своей работе Клаузиус полагает, что наряду с
первым началом, гласящим, "что во всех случаях, когда теплота производит работу,
потребляется количество тепла, пропорциональное полученной работе", следует
сохранить в качестве второго начала положение Карно, что работа производится при
переходе тепла от более нагретого тела к холодному. Это положение, по мнению
Клаузиуса, согласуется с природой тепла, в которой всегда наблюдается переход
тепла "сам собою" от горячего тела к холодному, а не наоборот.
В качестве второго начала Клаузиус и выдвигает постулат: "Теплота не может "сама
собою" перейти от более холодного тела к более теплому". Слова "сама собой" не
должны означать, что теплоту вообще нельзя перевести от холодного тела к
нагретому (иначе не были бы возможны холодильные машины). Они означают, что не
может быть таких процессов, единственным результатом которых был бы упомянутый
переход, без соответствующих других "компенсационных" изменений".
Вслед за этой работой почти одновременно в 1851 году появились три доклада
Томсона. Рассмотрев вопрос о превращении различных форм энергии с количественной
стороны, Томсон указывает, что при одинаковой количественной величине не все
виды энергии способны к превращению в одинаковой степени. Например, существуют
условия, при которых превращение тепла в работу невозможно. Постулат Томсона
гласит:
"При посредстве неодушевленного тела невозможно получить механического действия
от какой-либо массы вещества путем охлаждения ее температуры ниже температуры
самого холодного из окружающих тел"
Развивая это положение, Томсон в работе 1857 года приходит к известному выводу о
господствующей в природе тенденции к переходу энергии в теплоту и к выравниванию
температур, что приводит в конечном счете к снижению работоспособности всех тел
до нуля, к тепловой смерти.
В 1854 году Клаузиус в статье "Об измененной форме второго начала механической
теории тепла" доказывает теорему Карно, исходя из своего постулата, и, обобщая
ее, дает математическое выражение второго начала в виде неравенства для круговых
процессов.
В последующих работах Клаузиус вводит функцию состояния "энтропию" и дает
математическую формулировку тенденции, усмотренной Томсоном, в виде положения
"Энтропия вселенной стремится к максимуму". Так, в физике наряду с "царицей
мира" (энергией) появилась ее "тень" (энтропия). Сам Клаузиус в конце своей
работы 1865 года пишет: "Второе начало в том виде, какой я ему придал, гласит,
что все совершающиеся в природе превращения в определенном направлении,
основы мироздания
которое я принял в качестве положительного, могут происходить сами собою, т. е.
без компенсации, но в обратном, т. е. в отрицательном, направлении они могут
происходить только при условии, если они компенсируются происходящими
одновременно с ними положительными превращениями".
Применение этого начала ко всей Вселенной приводит к заключению, на которое
впервые указал Уильям Томсон. В самом деле, если при всех происходящих во
Вселенной изменениях состояния превращения в одном определенном направлении
постоянно преобладают по своей величине над превращениями в противоположном
направлении, то "общее состояние Вселенной должно все больше и больше изменяться
в первом направлении, и, таким образом, оно должно непрерывно приближаться к
предельному состоянию". ,
т
Георг Симон Ом
ЗАКОН ОМА
Проводник - это просто пассивная составная часть электрической цепи. Такое
мнение превалировало вплоть до сороковых годов девятнадцатого столетия. Так
зачем зря тратить время на его исследование?
Одним из первых ученых, занявшихся вопросом проводимости проводников, был
Стефано Марианини (1790-1866). К своему открытию он пришел случайно, изучая
напряжение батарей. Стефано заметил, что с увеличением числа элементов Вольтова
столба электромагнитное воздействие на стрелку не увеличивается заметным
образом. Это заставило Марианини сразу же подумать, что каждый вольтов элемент
представляет собой препятствие для
прохождения тока. Он провел опыты с парами "активными" и "неактивными" (т. е.
состоящими из двух медных пластинок, разделенных влажной прокладкой) и опытным
путем нашел отношение, в котором современный читатель узнает частный случай
закона Ома, когда сопротивление внешней цепи не принимается во внимание, как это
и было в опыте Марианини.
Ом признавал заслуги Марианини, хотя его труды и не стали непосредственной
помощью в работе.
Георг Симон Ом (1789-1854) родился в Эрлангене, в семье потомственного слесаря.
Роль отца в воспитании мальчика была огромной, и, пожалуй, он всем тем, чего
добился в жизни, обязан отцу. После окончания школы Георг поступил в городскую
гимназию. Гимназия Эр-лангена курировалась университетом и представляла собой
учебное заведение, соответствующее тому времени.
Успешно окончив гимназию, Георг весной 1805 года приступил к изучению
математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского
университета.
Проучившись три семестра, Ом принял приглашение занять место учителя математики
в частной школе швейцарского городка Готтштадта. В 1809 году Георгу было
предложено освободить место и принять приглашение на должность преподавателя
математики в город Нейштадт. Другого выхода не было, и к Рождеству он перебрался
на новое место. Но мечта окончить университет не покидает Ома. В 1811 году он
возвращается в Эрланген. Самостоятельные занятия Ома были наосновы
мироздания
столько плодотворными, что он в том же году смог окончить университет, успешно
защитить диссертацию и получить степень доктора философии. Сразу же по окончании
университета ему была предложена должность приват-доцента кафедры математики
этого же университета.
Преподавательская работа вполне соответствовала желаниям и способностям Ома. Но,
проработав всего три семестра, он по материальным соображениям, которые почти
всю жизнь преследовали его, вынужден был подыскивать более оплачиваемую
должность.
Королевским решением от 16 декабря 1812 года Ом был назначен учителем математики
и физики школы в Бамберге. В феврале 1816 года реальная школа в Бамберге была
закрыта. Учителю математики предложили за ту же плату проводить занятия в
переполненных классах местной подготовительной школы.
Потеряв всякую надежду найти подходящую преподавательскую работу, отчаявшийся
доктор философии неожиданно получает предложение занять место учителя математики
и физики в иезуитской коллегии Кельна. Он немедленно выезжает к месту будущей
работы.
Здесь, в Кельне, он проработал девять лет. Именно здесь он "превратился" из
математика в физика. Наличие свободного времени способствовало формированию Ома
как физика-исследователя. Он с увлечением отдается новой работе, просиживая
долгие часы в мастерской коллегии и в хранилище приборов.
Ом занялся исследованиями электричества. Он начал свои экспериментальные
исследования с определения относительных величин проводимости различных
проводников. Применив метод, который стал теперь классическим, он подключал
последовательно между двумя точками цепи тонкие проводники из различных
материалов одинакового диаметра и изменял их длину так, чтобы получалась
определенная величина тока.
Как пишет В.В. Кошманов, "Ом знал о появлении работ Барлоу и Беккереля, в
которых были описаны экспериментальные поиски закона электрических цепей. Знал
он и о результатах, к которым пришли эти исследователи. Хотя и Ом, и Барлоу, и
Беккерель в качестве регистрирующего прибора использовали магнитную стрелку,
соблюдали особую тщательность в соединении цепи и источник электрического тока в
принципе был одной и той же конструкции, однако полученные ими результаты были
различными. Истина упорно ускользала от исследователей.
Необходимо было, прежде всего, устранить самый значительный источник
погрешностей, каким, по мнению Ома, была гальваническая батарея.
Уже в своих первых опытах Ом заметил, что магнитное действие тока при замыкании
цепи произвольной проволокой уменьшается со временем...
J
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Это снижение практически не прекращалось с течением времени, и ясно было, что
заниматься поиском закона электрических цепей при таком положении дел
бессмысленно. Нужно было или использовать другой тип генератора электрической
энергии из уже имеющихся, или создавать новый, или разрабатывать схему, в
которой изменение ЭДС не сказывалось бы на результатах опыта. Ом пошел по
первому пути".
После опубликования первой статьи Ома Поггендорф посоветовал ему отказаться от
химических элементов и воспользоваться лучше термопарой медь - висмут, незадолго
до этого введенной Зеебеком. Ом прислушался к этому совету и повторил свои
опыты, собрав установку с термоэлектрической батареей, во внешнюю цепь которой
включались последовательно восемь медных проволок одинакового диаметра, но
разной длины. Силу тока он измерял с помощью своего рода крутильных весов,
образуемых магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити. Когда ток,
параллельный стрелке, отклонял ее, Ом закручивал нить, на которой она была
подвешена, пока стрелка не оказывалась в своем обычном положении; сила тока
считалась пропорциональной углу, на который закручивалась нить.
Ом пришел к выводу, что результаты опытов, проведенных с восемью различными
проволоками, могут быть выражены уравнением - частное от а, деленного на х + в,
где х означает интенсивность магнитного действия проводника, длина которого
равна х, а а и в - константы, зависящие соответственно от возбуждающей силы и от
сопротивления остальных частей цепи.
Условия опыта менялись: заменялись сопротивления и термоэлектрические пары, но
результаты все равно сводились к приведенной выше формуле, которая очень просто
переходит в известную нам, если заменить х силой тока, а - электродвижущей силой
и в + х - общим сопротивлением цепи.
Ом проводит опыты и с четырьмя латунными проволоками - результат тот же. "Отсюда
следует важный вывод, - пишет Кошманов, - что найденная Омом формула,
связывающая физические величины, характеризующие процесс протекания тока в
проводнике, справедлива не только для проводников из меди. По этой формуле можно
рассчитывать электрические цепи независимо от материала проводников,
используемых при этом...
...Кроме того, Ом установил, что постоянная в не зависит ни от возбуждающей
силы, ни от длины включенной проволоки. Этот факт дает основание утверждать, что
величина в характеризует неизменяемую часть цепи. А так как сложение в
знаменателе полученной формулы возможно только для величин одинаковых
наименований, то, следовательно, постоянная в, заключает Ом, должна
характеризовать проводимость неизменяемой части цепи.
В последующих опытах Ом изучал влияние температуры проводников на их
сопротивление. Он вносил исследуемые проводники в пламя,
основы мироздания
помещал их в воду с толченым льдом и убеждался, что электрическая проводимость
проводников уменьшается с повышением температуры и увеличивается с понижением
ее".
Получив свою знаменитую формулу, Ом пользуется ею для изучения действия
мультипликатора Швейггера на отклонение стрелки и для изучения тока, который
проходит во внешней цепи батареи элементов, в зависимости от того, как они
соединены - последовательно или параллельно. Таким образом, он объясняет, чем
определяется внешний ток батареи, - вопрос, который был довольно темным для
первых исследователей.
Появляется в свет знаменитая статья Ома "Определение закона, по которому металлы
проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического
аппарата и мультипликатора Швейггера", вышедшая в 1826 году в "Журнале физики и
химии"
Появление статьи, содержащей результаты экспериментальных исследований в области
электрических явлений, не произвело впечатления на ученых. Никто из них даже не
мог предположить, что установленный Омом закон электрических цепей представляет
собой основу для всех электротехнических расчетов будущего.
В 1827 году в Берлине он опубликовал свой главный труд "Гальваническая цепь,
разработанная математически".
Ом вдохновлялся в своих исследованиях работой "Аналитическая теория тепла"
(1822) Жана Батиста Фурье (1768-1830). Ученый понял, что механизм "теплового
потока", о котором говорит Фурье, можно уподобить электрическому току в
проводнике. И подобно тому, как в теории Фурье тепловой поток между двумя телами
или между двумя точками одного и того же тела объясняется разницей температур,
точно так же Ом объясняет разницей "электроскопических сил" в двух точках
проводника возникновение электрического тока между ними.
Ом вводит понятия и точные определения электродвижущей силы, или
"электроскопической силы", по выражению самого ученого, электропроводности и
силы тока. Выразив выведенный им закон в дифференциальной форме, приводимой
современными авторами, Ом записывает его и в конечных величинах для частных
случаев конкретных электрических цепей, из которых особенно важна
термоэлектрическая цепь. Исходя из этого, он формулирует известные законы
изменения электрического напряжения вдоль цепи.
Но теоретические исследования Ома также остались незамеченными Теоретическая
работа Ома разделила судьбу работы, содержащей его экспериментальные
исследования. Научный мир по-прежнему выжидал. Только в 1841 году работа Ома
была переведена на английский язык, в 1847 году - на итальянский, в 1860 году -
на французский.
Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби.
Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков, 5 мая
1842 года Лондонское Королевское
i
\\
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом Ом стал лишь
вторым ученым Германии, удостоенным такой чести.
Очень эмоционально отозвался о заслугах немецкого ученого его американский
коллега Дж Генри "Когда я первый раз прочел теорию Ома, - писал он, - то она мне
показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак"
О значении исследований Ома точно сказал профессор физики Мюнхенского
университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году "Открытие Ома
было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была
окутана мраком. Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес
непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми
мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только
на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и
управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы. Ом вырвал у природы так
долго скрываемую тайну и передал ее в руки современников".
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
После открытий Эрстеда и Ампера стало ясно, что электричество обладает магнитной
силой. Теперь необходимо было подтвердить влияние магнитных явлений на
электрические. Эту задачу блистательно решил Фарадей.
Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Лондоне, в одной из беднейших его частей.
Его отец был кузнецом, а мать - дочерью земледельца-арендатора. Когда Фарадей
достиг школьного возраста, его отдали в начальную школу. Курс, пройденный
Фарадеем здесь, был очень узок и ограничивался только обучением чтению, письму и
началам счета.
В нескольких шагах от дома, в
котором жила семья Фарадеев, находилась книжная лавка, бывшая вместе с тем и
переплетным заведением. Сюда-то и попал Фарадей, закончив курс начальной школы,
когда возник вопрос о выборе профессии для него. Майклу в это время минуло
только 13 лет.
Уже в юношеском возрасте, когда Фарадей только что начинал свое самообразование,
он стремился опираться исключительно только на факты и проверять сообщения
других собственными опытами. Эти стремления доминировали в нем всю жизнь как
основные черты его научной деятельности
Физические и химические опыты Фарадей стал проделывать еще мальчиком при первом
же знакомстве с физикой и химией. Однажды Майкл посетил одну из лекций Гэмфри
Дэви, великого английского физика. Фарадей сделал подробную запись лекции,
переплел ее и отослал Дэви. Тот был настолько поражен, что предложил Фарадею
работать с ним в качестве секретаря. Вскоре Дэви отправился в путешествие по
Европе и взял с собой Фарадея. За два года они посетили крупнейшие европейские
университеты.
Вернувшись в Лондон в 1815 году, Фарадей начал работать ассистентом в одной из
лабораторий Королевского института в Лондоне. В то время это была одна из лучших
физических лабораторий мира С 1816 по 1818 год Фарадей напечатал ряд мелких
заметок и небольших мемуаров по химии. К 1818 году относится первая работа
Фарадея по физике.
Опираясь на опыты своих предшественников и скомбинировав несколько собственных
опытов, к сентябрю 1821 года Майкл напечатал
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
"Историю успехов электромагнетизма". Уже в это время он составил вполне
правильное понятие о сущности явления отклонения магнитной стрелки под действием
тока. Добившись этого успеха, Фарадей на целых десять лет оставляет занятия в
области электричества, посвятив себя исследованию целого ряда предметов иного
рода.
В 1823 году Фарадеем было произведено одно из важнейших открытий в области
физики - он впервые добился сжижения газа, и вместе с тем установил простой, но
действительный метод обращения газов в жидкость.
В 1824 году Фарадей сделал несколько открытий в области физики. Среди прочего он
установил тот факт, что свет влияет на цвет стекла, изменяя его. В следующем
году Фарадей снова обращается от физики к химии, и результатом его работ в этой
области является открытие бензина и серно-нафталиновой кислоты.
В 1831 году Фарадей опубликовал трактат "Об особого рода оптическом обмане",
послуживший основанием прекрасного и любопытного оптического снаряда, именуемого
"хромотропом". В том же году вышел еще один трактат ученого "О вибрирующих
пластинках".
Многие из этих работ могли сами- по себе обессмертить имя их автора. Но наиболее
важными из научных работ Фарадея являются его исследования в области
электромагнетизма и электрической индукции. Строго говоря, важный отдел физики,
трактующий явления электромагнетизма и индукционного электричества, и имеющий в
настоящее время такое громадное значение для техники, был создан Фарадеем из
ничего
К тому времени, когда Фарадей окончательно посвятил себя исследованиям в области
электричества, было установлено, что при обыкновенных условиях достаточно
присутствия наэлектризованного тела, чтобы влияние его возбудило электричество
во всяком другом теле. Вместе с тем было известно, что проволока, по которой
проходит ток и которая также представляет собою наэлектризованное тело, не
оказывает никакого влияния на помещенные рядом другие проволоки. Отчего зависело
это исключение? Вот вопрос, который заинтересовал Фарадея и решение которого
привело его к важнейшим открытиям в области индукционного электричества.
По своему обыкновению Фарадей начал ряд опытов, долженствовавших выяснить суть
дела. На одну и ту же деревянную скалку Фарадей намотал параллельно друг другу
две изолированные проволоки. Концы одной проволоки он соединил с батареей из
десяти элементов, а концы другой - с чувствительным гальванометром. Когда был
пропущен ток через первую проволоку, Фарадей обратил все свое внимание на
гальванометр, ожидая заметить по колебаниям его появление тока и во второй
проволоке. Однако ничего подобного не было: гальванометр оставался спокойным.
Фарадей решил увеличить силу тока и ввел в цепь 120 гальванических элементов.
Результат получился тот же. Фарадей повторил этот опыт десятки раз и все с тем
же успехом. Всякий другой на его
основы мироздания
месте оставил бы опыты, убежденный, что ток, проходящий через проволоку, не
оказывает никакого действия на соседнюю проволоку. Но фарадей старался всегда
извлечь из своих опытов и наблюдений все, что они могут дать, и потому, не
получив прямого действия на проволоку, соединенную с гальванометром, стал искать
побочные явления.
Сразу же он заметил, что гальванометр, оставаясь совершенно спокойным во все
время прохождения тока, приходит в колебание при самом замыкании цепи и при
размыкании ее Оказалось, что в тот момент, когда в первую проволоку пропускается
ток, а также когда это пропускание прекращается, во второй проволоке также
возбуждается ток, имеющий в первом случае противоположное направление с первым
током и одинаковое с ним во втором случае и продолжающийся всего одно мгновение
Эти вторичные мгновенные токи, вызываемые влиянием первичных, названы были
Фарадеем индуктивными, и это название сохранилось за ними доселе. Будучи
мгновенными, моментально исчезая вслед за своим появлением, индуктивные токи не
имели бы никакого практического значения, если бы Фарадей не нашел способ при
помощи остроумного приспособления (коммутатора) беспрестанно прерывать и снова
проводить первичный ток, идущий от батареи по первой проволоке, благодаря чему
во второй проволоке беспрерывно возбуждаются все новые и новые индуктивные токи,
становящиеся, таким образом, постоянными. Так был найден новый источник
электрической энергии, помимо ранее известных (трения и химических процессов), -
индукция, и новый вид этой энергии - индукционное электричество.
Продолжая свои опыты, Фарадей открыл далее, что достаточно простого приближения
проволоки, закрученной в замкнутую кривую, к другой, по которой идет
гальванический ток, чтобы в нейтральной проволоке возбудить индуктивный ток
направления, обратного гальваническому току, что удаление нейтральной проволоки
снова возбуждает в ней индуктивный ток уже одинакового направления с
гальваническим, идущим по неподвижной проволоке, и что, наконец, эти индуктивные
токи возбуждаются только во время приближения и удаления проволоки к проводнику
гальванического тока, а без этого движения токи не возбуждаются, как бы близко
друг к другу проволоки ни находились. Таким образом, было открыто новое явление,
аналогичное вышеописанному явлению индукции при замыкании и прекращении
гальванического тока.
Эти открытия вызвали в свою очередь новые. Если можно вызвать индуктивный ток
замыканием и прекращением гальванического тока, то не получится ли тот же
результат от намагничивания и размагничивания железа? Работы Эрстеда и Ампера
установили уже родство магнетизма и электричества. Было известно, что железо
делается магнитом, когда вокруг него обмотана изолированная проволока и по
последней проходит гальванический ток, и что магнитные свойства этого железа
прекращаются, как только прекращается ток. Исходя из этого,
100 ВЕЛИКИХ НАУЧНЫХ ОТКРЫТИЙ
Фарадей придумал такого рода опыт: вокруг железного кольца были j обмотаны две
изолированные проволоки; причем одна проволока была j обмотана вокруг одной
половины кольца, а другая - вокруг другой. Через | одну проволоку пропускался
ток от гальванической батареи, а концы другой были соединены с гальванометром. И
вот, когда ток замыкался \ или прекращался и когда, следовательно, железное
кольцо намагничивалось или размагничивалось, стрелка гальванометра быстро
колебалась j и затем быстро останавливалась, то есть в нейтральной проволоке
возбуждались все те же мгновенные индуктивные токи - на этот раз: уже под
влиянием магнетизма. Таким образом, здесь впервые магнетизм j был превра
...Закладка в соц.сетях
