Эмилий Христианович Ленц - закон Джоуля-Ленца1

Академик Российской академии наук, профессор, ректор Петербургского университета, основоположник современного учения об электрических и магнитных явлениях, океанограф и геофизик Эмилий Христианович Ленц родился 12 (24 по новому стилю) февраля 1804 г. в г. Дерпт (теперь Тарту). В 1820 г. по окончании гимназии поступил на химический факультет Дерптского (затем Юрьевского, ныне Тартуского) университета, но по материальным соображениям вскоре перешел на богословский факультет, не бросив при этом занятий по физике. Не закончив обучения, 19-летний студент Э.Х. Ленц в качестве физика участвует в трехлетнем кругосветном путешествии на шлюпе "Предприятие" под командой капитана О.Е. Коцебу.

В 1827 г. Ленц по результатам океанографических исследований защищает при Гейдельберском университете диссертацию на степень доктора философии и переезжает в Петербург, где непродолжительное время преподает в школе.

В 1828 г. в Петербургскую академию наук была представлена работа Ленца «О солености и температурах воды океанов на разных глубинах», за которую 7 мая 1828 г. он был избран адъюнктом. После этого Ленц принимает участие в экспедиции на горы Эльбрус и Кинжальную, ездит в Баку и Николаев, где проводит магнитные и гравиметрические наблюдения.

24 марта 1830 г. Ленц был избран экстраординарным (сверх штатным) академиком Петербургской академии наук, в физическом кабинете которой до последних дней жизни проходила его научная деятельность.

¹ По материалам статьи Григорьев Н.Д. Эмилий Христианович Ленц (К 200-летию со дня рождения)//Электричество, 2004, № 2. С. 71-72

В 1831 г. М. Фарадей открыл и описал явления "Магнитоэлектрической и вольтаэлектрической индукций", в этой работе он сформулировал правила для определения направления индуцированных токов. Находясь под большим впечатлением от открытия Фарадея, Ленц в докладе Петербургской академии наук «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электромагнитной индукцией», сделанным 29 ноября 1833г., установил правило, названное его именем: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение первоначального магнитного поля, вследствие которого происходит индукция.

На основании правила Ленца были получены математические связи для мгновенных значений токов и ЭДС. В 1846 г. Ф. Нейман при выводе законов электромагнитной индукции воспользовался правилом Ленца. В 1847 г. Г.Л. Гельмгольц в работе о законе сохранения энергии также сослался на Ленца, которого можно назвать предшественником распространения закона сохранения энергии на явления электромагнитной индукции. В математической форме явление электромагнитной индукции выразил в 1873 г. Д.К. Максвелл. В научной и учебной литературе в настоящее время количественный закон Фарадея-Максвелла-Ленца для ЭДС записывается как E=-dφ/dt, где знак минус соответствует правилу Ленца.

Это правило помогло решению задачи о точных измерениях магнитной напряженности, намагничивания железа. Ленц был одним из первых авторов индукционных измерительных приборов. Совместно с Б.С. Якоби он предложил баллистический метод для измерения магнитного потока теми индукционными действиями, в результате которых поток создается или исчезает.

В формулировке правила Ленца заключена идея принципа эквивалентности (обратимости) электрических машин. Ученый показал, что магнитоэлектрическая индукция Фарадея теснейшим образом связана с электромагнитными силами A.M. Ампера: Положение, посредством которого магнитоэлектрическое явление сводится к электромагнитному, заключается в следующем: если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться в направлении движения или в противоположном направлении.

В работе "О некоторых опытах из области гальванизма" принцип обратимости Ленцем был сформулирован более четко: Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводнику гальванического тока каким-либо иным способом то движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникает ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте. Из правила Ленца следует, что, пропуская в подвижных катушках, расположенных между полюсами магнитов, токи, можно добиться их вращения. Наоборот, если в подвижные катушки ток не пропускать, а вращать их между полюсами магнита за счет посторонней силы, то в них возникает индукционная ЭДС. Следовательно, Ленц первым пришел к выводу об одинаковом устройстве и обратимости электрических двигателей и генераторов.

5 сентября 1834 г. Ленц был избран ординарным (штатным) академиком Петербургской академии наук. Он вел также педагогическую работу в Морском кадетском корпусе, Артиллерийской академии, Главном педагогическом институте, а 31 декабря 1835 г. был приглашен на должность ординарного профессора кафедры физики Санкт-Петербургского университета, в 1836 г. возглавил кафедру физики и физической географии, в январе 1840 г. избран деканом на втором отделении философского факультета (бывшего физико-математического, прежнее название было восстановлено в 1852 г.) и пребывал бессменно на этой должности до избрания ректором в 1863 г. Ленц придавал большое значение преподаванию физики. Он автор многочисленных учебников и пособий. Его "Руководство к физике, составленное... для русских гимназий" (1839 г.) выдержало 11 изданий.

В 1825 г. Уильям Стерджен изобрел электромагнит. В то время отсутствовали данные о магнитных свойствах железа, и только в совместных работах Ленца и Якоби "О законах электромагнитов", "О притяжении электромагнитов" и "О влиянии силы тока на интенсивность возбуждаемых в железе магнетизма" (доложено Петербургской академии наук 26 октября 1838 г. и 20 января 1843 г.) даны методы расчета электромагнитов, которые применялись до установления законов магнитной цепи в 80-х годах XIX в. (исследование магнитных свойств «мягкого железа» выполнил А.Г. Столетов в 1871 г.). В этих работах установлена пропорциональность действия электромагнита значению силы тока и числу витков катушки (по современной терминологии числу ампер-витков).

В октябре 1841 г. Д.П. Джоуль опубликовал работу "О теплоте, выделяемой токами", но в Лондонском Королевском обществе (научное общество Великобритании) она встретила некоторые обоснованные возражения, и от автора потребовали дополнительных экспериментальных уточнений. Ленц принимается за исследование нагревательного действия токов, результаты которых докладывает в Петербургской академии наук 2 декабря 1842 г. "О законах выделении тепла гальваническим током" и 11 августа 1843 г. "О выделении тепла в проволоках". Он исследует тангенс-буссоли (прибор для измерения тока, изобретенный И. Нервандером), обосновывает и разъясняет современникам закон Ома и точными экспериментальными данными доказывает основные положения закона теплового действия тока, названного впоследствии законом Джоуля-Ленца: выделяемое током тепло пропорционально сопротивлению проводника, не зависит от каких-либо других его свойств и пропорционально квадрату силы тока. В настоящее время на законе Джоуля-Ленца основан расчет электроосветительных установок, нагревательных и отопительных электроприборов, сечений проводов воздушных и жил кабельных линий электропередачи, плавких вставок предохранителей и устройств защиты электроустановок от перегрузок и аварийных режимов. Этот закон, а также правило Ленца вошли во все учебники электротехники и являются основой электротехнического образования.

В.Э. Вебер опытным путем установил, что вопреки закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС электрических генераторов при подключении внешней электрической цепи не пропорциональна частоте вращения его ротора. Он объяснял это тем, что железо не успевает принять полного намагничивания при быстром изменении поля. Ленц, исследуя магнитоэлектрический генератор постоянного тока, собрал большой экспериментальный материал. По работе "О влиянии скорости вращения на индукционный ток, производимый магнитоэлектрическими машинами" он сделал в Петербургской академии наук три сообщения: 3 декабря 1847 г., 24 июня 1853 г. и 12 июня 1857 г., дал собственное объяснение уменьшению ЭДС, которое в настоящее время называется реакцией якоря при протекании в нем электрического тока. Предложенное Ленцем для улучшения коммутации смещение щеток относительно геометрической нейтрали коллектора применяется до сих пор в электрических машинах постоянного тока номинальной мощностью до 300 Вт (в недавнем прошлом - до 1 кВт).

Ленц впервые установил смещение фазы тока относительно фазы напряжения (1853г.), придумал коммутатор, т.е. изобрел прибор для изучения формы кривой индуктированного тока (1857 г.). Им было установлено условие режима максимальной полезной мощности источника электрической энергии, когда внутреннее сопротивление источника и сопротивление внешней цепи равны между собой.

Эмилий Христианович Ленц скончался 29 января (10 февраля по новому стилю) 1865 г. в Риме, куда приехал на лечение. О жизни и деятельности Ленца подробнее можно прочитать в книгах: Ленц Э.Х. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР, 1950; Лежнева О.А., Ржонсницкий Б.Н. Эмилий Христианович Ленц (1804-1865). М.-Л, 1952.