Р

Разработка теории электрических явлений

азвитие эксперимента в области электростатики, завершившееся открытием закона Кулона, предопределило успешную разработку теории электрических явлений. Существенный шаг был сделан Симеоном Дени Пуассоном, французским механиком, математиком и физиком, в 1811 году применившим математическую теорию потенциала к электростатике. Пуассон исходил из представления о существовании двух типов электрических флюидов, частицы которых взаимодействуют друг с другом. Обычно в теле равномерно распределены равные количества этих флюидов, поэтому тело является электронейтральным. Если же телу сообщить дополнительное количество электрической субстанции одного типа, оно электризуется. Тела, согласно Пуассону, делятся на два вида – проводники и изоляторы. В проводниках электрическая субстанция может свободно перемещаться, в изоляторах же она неподвижна. Изоляторы, окружающие проводник (например, воздух), не позволяют электрической субстанции покидать проводящее тело. В целях расчета Пуассон использовал принцип, согласно которому в равновесном состоянии электрическая субстанция располагается в проводнике таким образом, чтобы результирующая всех электрических сил внутри проводника во всех точках равнялась нулю и имела отличное от нуля значение лишь на поверхности проводящего тела. Использование такого принципа давало возможность определять поверхностную плотность электрического заряда во всех точках поверхности проводника заданной формы. Знание же поверхностной плотности заряда позволяло решить вопрос об электрической силе в окружающем проводник пространстве. В частности, на поверхности проводника электрическая сила должна быть направлена перпендикулярно к поверхности, а ее величина пропорциональна поверхностной плотности заряда в данной точке. Таким образом, Пуассон сформулировал известную теорему, согласно которой напряжённость электрического поля в точке у поверхности проводника пропорциональна плотности заряда на проводнике. При этом он пользовался результатами теории гравитации, в которой уже использовалась функция, играющая роль потенциала, и был установлен вид уравнения, которому она удовлетворяет (уравнение Лапласа).

Дальнейшее развитие математическая теория электрических явлений получила в работах английского математика Джорджа Грина. В работе «Исследование математической теории электричества и магнетизма» (1828 г.) Грин развил основы аналитической теории электричества, положив в основу теории принцип, согласно которому электрические силы могут быть определены через потенциальную функцию. Составляющие электрических сил по координатным осям в теории Грина определяются как частные производные от потенциальной функции по соответствующим переменным, взятые с обратным знаком. Значение же самой потенциальной функции в некоторой точке пространства равно сумме величин точечных зарядов q_i, деленных на расстояния r_i от этих зарядов до данной точки.

Немецкий математик, астроном и физик Карл Фридрих Гаусс в 1839 году в сочинении «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния» изложил основы общей теории потенциала. Гаусс ввел функцию , где под m_i можно подразумевать как обычные массы, так и электрические заряды. Эту функцию Гаусс назвал потенциалом и доказал для нее ряд положений и теорем, в частности, основную теорему электростатики (уже упоминавшаяся выше теорема Гаусса).

Открытие электрического тока

Проведение исследований в области электродинамических явлений было невозможно без открытия постоянного электрического тока. И это открытие состоялось в конце XVIII века в работах Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта.

Итальянский физиолог Гальвани в 1780 году провел электрофизиологические исследования движения мышц лягушек. Он заметил, что если соединить металлическим проводником мышечную и нервную ткани только что убитой и препарированной лягушки, то происходит сокращение мышцы. Сокращения становятся более сильными и длительными, если проводник состоит из двух разнородных металлов, например, железа и меди или серебра. Результаты этих опытов Гальвани истолковал как доказательство того, что в каждой живой ткани имеется собственное «животное электричество», и разработал его теорию, согласно которой мышцы и нервы образуют нечто подобное обкладкам лейденской банки, а металлический проводник служит разрядником, вызывающим разряд.

Соотечественник Гальвани физик Алессандро Вольта заинтересовался опытами Гальвани и в 1792 году повторил их, в результате чего пришел к выводу, что причиной появления кратковременного электрического тока в мышцах лягушек является не свойственное им «животное электричество», а наличие замкнутой электрической цепи из проводников двух классов – двух разнородных металлов и жидкости. Последнее утверждение требует более подробного объяснения.

Если кратко сформулировать мысль Вольта на современном языке, то она сводится к следующему: Гальвани открыл физиологическое действие электрического тока. Вольта писал: «Я давно убежден, что всё действие возникает … вследствие прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или к самой воде. В силу такого соприкосновения электрический флюид гонится в это влажное тело или в воду от самих металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра). При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот». Таково первое описание замкнутой цепи электрического тока.

Вольта разделил проводники на два класса. К первому он отнес металлы и уголь, ко второму – жидкие проводники. Если составить замкнутую цепь из разнородных металлов, то тока не будет – это следствие закона Вольта для контактных напряжений. Если же «проводник второго класса (т.е. электролит) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов, то вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления». После длительных экспериментов для усиления эффектов, возникающих при соединении нескольких разнородных проводников, Вольта сконструировал в конце 1799 года первый гальванический элемент – вольтов столб. Первый вольтов столб состоял из 20 пар медных и цинковых кружков, разделенных суконными кружочками, пропитанными солёной водой. В дальнейшем Вольта усовершенствовал свой гальванический элемент, погрузив медную и цинковую пластины в раствор соляной кислоты.

Таким образом, говоря современным языком, Вольта открыл явление разделения зарядов и возникновения ЭДС в контакте различных проводников и возможность существования электрического тока в замкнутой цепи, включающей электролит, т.е. в случае, когда составляющие замкнутую цепь проводники испытывают химические превращения.

Изобретение Вольта гальванического элемента позволило начать эксперименты с постоянным током и наблюдать при этом множество явлений, которое было практически невозможно заметить за время молниеносного проскакивания искры, созданной лейденской банкой или электрической машиной. Опыты с постоянным электрическим током положили начало исследованиям электродинамических явлений.