Закон
Ленца
Ян Шнейберг
У розвитку сучасних засобів зв'язку основну роль
зіграли відкриття в області електромагнетизму, зроблені в XIX ст. вченими різних
країн - М. Фарадеєм, Д.К. Максвелом, Г. Герцем.
Після відкриття Фарадея багато явищ, пов'язані з електромагнітної
індукцією, залишалися недостатньо ясними.
Не існувало точних приладів і методів вимірювання електричних
і магнітних величин, зокрема індуктірованних
струмів. Не було закону про спрямування цих струмів, не були встановлені і кількісні
характеристики явища електромагнітної індукції.
Ці та інші складні фізичні проблеми були успішно вирішені
видатним вітчизняним фізиком, петербурзьким академіком Е.Х. Ленц.
Назва Е.Х. Ленца, як і імена видатних вчених М. Фарадея,
А.М. Ампера, Г.С. Ома, відомо кожній освіченій людині ще зі шкільної лави.
Фундаментальні дослідження Ленца в галузі фізики і електромагнетизму принесли
йому світову славу. Він по праву вважається одним із засновників вчення про електричні
і магнітних явища.
Відкриття закону Ленца
Попри те, що перші наукові дослідження Ленца ставилися
в основному до галузі геофізики, його найбільш видатні відкриття пов'язані з вивченням
електромагнітних явищ. Особливий інтерес до цих явищ пояснюється, мабуть, помітною
активізацією наукових досліджень в області електромагнетизму, пов'язаної з виявленням
електродинамічних явищ, відкриттям найважливіших законів Ампером і Омом. Будучи
неабияким експериментатором, Ленц не міг не переконатися в справедливості відкритих
законів, тим більше що ще не існувало точних приладів і методів вимірювань електричних
і магнітних величин, не було також загальновизнаних одиниць виміру й еталонів і
навіть закон Ома багатьма фізиками ставилося під сумнів.
Маючи чималий досвід роботи з крутильних вагами Кулона, які
використовувалися в процесі експериментів, вже в листопаді 1832 Ленц підтвердив
справедливість закону Ома, що сприяло визнанню цього закону фізиками різних
країн.
Першим найважливішим винаходом Ленца була розробка балістичного
методу вимірювань для вивчення законів індукції. У 1832 р., дізнавшись про відкриття Фарадеєм
явища електромагнітної індукції, Ленц приступив до експериментів з метою встановлення
кількісних законів індукції. Він вважав, що «сила миттєвого струму індукції»
діє подібно до удару, причому сила цього удару може бути виміряна за швидкістю,
що повідомляється стрілкою мультиплікатора - єдиного на той час індикатора електричного
струму.
Схема установки Ленца полягала в наступному. На столі зміцнювався
постійний магніт М з якорем А, що має обмотку, електрично поєднану з мультиплікатором
В. Показання мультиплікатора можна було спостерігати через оптичну трубу Т за допомогою
дзеркала С (рис. 1).
Балістичний метод вимірювання Ленца лежить в основі сучасного
балістичного гальванометра. Вильно приладу для вимірювання змінних струмів --
електродінамометра Вебера, що дозволило Ленц ще в 30-х роках зробити ряд найважливіших
відкриттів.
У результаті ретельного аналізу експериментів Ленц зробив
ряд узагальнень і висновків, які пізніше отримали загальне визнання і подальше
розвиток, зокрема в працях Максвелла.
Він встановив, що виникнення індуктірованного струму залежить
від швидкості «відривання» котушки від магніту; що електрорушійна сила, порушується
в котушці, пропорційна числу витків і дорівнює сумі електрорухомий сил, порушуваних
в кожному витку; при цьому вона не залежить від матеріалу і діаметра обмотки якоря. Закономірності,
вперше встановлені Ленц, стали важливими кількісними характеристиками явища
електромагнітної індукції. Він першим використовував свої висновки для практичних цілей:
вивів формулу для розрахунку обмотки електромагнітного генератора.
Зауважимо, що видавець відомого в ті роки журналу
«Poggеndorff's Annalen» не ризикнув опублікувати настільки незвичайні й сміливі висновки
Ленца, вони були надруковані в мемуарах Академії наук (1833).
Але найбільш видатним відкриттям Ленца став закон про направлення
індуктірованного струму, що носить його ім'я (саме «закон», а не «правило», як іноді
його називають).
Після відкриття М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції
він і ряд інших учених запропонували мнемонічні і досить складні «правила», що дозволяють
в окремих випадках визначати напрямок індуктірованного струму.
Уважно вивчивши всі роботи в цій галузі, Ленц в
1832 поставив ряд оригінальних дослідів, а в листопаді 1833-го виступив в Академії
наук з доповіддю «Про визначення напрямку гальванічних струмів, порушуваних електродинамічної
індукцією ». Оскільки в літературі нерідко неточно, а іноді і помилково формулюється
закон Ленца, наводимо початковий текст з його доповіді. «Якщо металевий провідник
рухається поблизу електричного струму або магніту, то в ньому порушується гальванічний
ток такого напрямку, що він міг би обумовити, у випадку нерухомості даного
провідника, його переміщення в протилежну сторону »(курсив наш - Я.Ш., рис.
2).
У цій роботі Ленц писав: «Після прочитання статті Фарадея
я прийшов до думки, що всі досліди по електродинамічної індукції можуть бути легко
зведені до законів електродинамічних рухів, так що якщо ці останні вважати
відомими, то будуть визначені і перше, це моє уявлення виправдалося на ряді
дослідів ».
Заслуга Ленца полягає не тільки в тому, що він сформулював
загальний закон про направлення індуктірованного струму, але й - що не менш важливо - переконливо
довів справедливість закону збереження і перетворення енергії при взаємних перетвореннях
механічної та електромагнітної енергії. (Термін «енергія» вперше був введений в
1853 англійським вченим Ренкіна.)
Дійсно, якщо переміщувати під дією зовнішньої сили
магніт або провідник зі струмом поблизу замкнутого проводнікаіческая енергія переміщення
магніту або провідника зі струмом перетворюється в електромагнітну енергію струму індукції.
І головне: за законом Ленца напрямок індуктірованного
струму таке, що викликається ним сила перешкоджає руху, яким він був викликаний,
тобто в присутності магніту або провідника зі струмом потрібно бо'льшая витрата енергії,
ніж у їх відсутність. І ця частина механічної енергії переходить в електромагнітну
енергію індуктірованного струму.
Закон Ленца був встановлений за вісім років до опублікування
перші роботи німецького вченого Р. Майера, який вважається одним з основоположників
закону збереження і перетворення енергії. Тому Ленц належить заслуга в закладці
основ цього фундаментального закону природи. У 1845 р. німецький фізик Ф. Нейман вперше математично
сформулював теорію індукції і запропонував вираз для електрорушійної сили індукції,
підтверджує закон Ленца.
В історії науки і техніки не так вже й часто зустрічаються приклади,
коли одному вченому вдається здійснити не тільки фундаментальні теоретичні
дослідження, а й вказати шляхи їх практичного
застосування.
Таким вченим був Е.Х. Ленц. На основі відкритого закону
він вперше формулює принцип оборотності електричних машин (1833), а в 1838
р. експериментально підтверджує його за допомогою генератора, зверненого їм у двигун.
Тільки чверть століття по тому це відкриття Ленца отримало
практичне застосування і з'явилося одним з поворотних етапів у розвитку електротехніки
та електромеханіки. Зауважимо, що в окремих джерелах невірно вказується, ніби
оборотність електричних машин Ленц встановив при спільній роботі з Б.С. Якобі. Це вдалося зробити ще за чотири
року до приїзду Якобі до Петербурга.
Видатні заслуги Е.Х. Ленца в галузі геофізики та електродинаміки
отримали загальне визнання і високу оцінку Академії наук: у вересні 1834
він обирається до числа ординарних академіків з фізики.
Праці Ленца, що друкувалися у вітчизняних і зарубіжних
виданнях, були широко відомі серед фізиків усього світу. З ними був добре знайомий
і Б.С. Якобі, ще до приїзду в Росію побудував оригінальну модель електродвигуна.
За пропозицією Ленца та інших російських вчених Б.С. Якобі
отримав урядове запрошення до Петербурга для продовження досліджень у
області електромагнетизму і практичного застосування винайденого їм електродвигуна.
Ленц допоміг опублікувати повідомлення про роботи Якобі в працях Академії наук.
Юний
мандрівник і винахідник
Емілія Християнович Ленц народився (12) 24 лютого 1804 р. у родині обер-секретаря
магістрату м. Тарту (Естонія). Це місто було засновано в 1030 російським князем Ярославом
Мудрим і називався Юр'єва. Після захоплення прибалтійських земель німецькими хрестоносцями
місто перейменували в Дерпт. Так він називався майже до кінця XIX ст. (хоча й був
повернений Росії), а потім - як і в нотца родина опинилася у важкому матеріальному
положенні і матері Ленца довелося докласти чимало зусиль, щоб дати двом синам
вищу освіту.
Після закінчення з відзнакою гімназії в 1820 р., де Е.Х. Ленц
серйозно захопився природничими науками і математикою, він вступає на природний
факультет Дерптського університету - одного з найстаріших наукових центрів Росії.
В університеті завдяки зусиллям його першого ректора, професора фізики Є.І. Паррот
був створений один з кращих у країні фізичних кабінетів. Паррот залучив Ленца до
роботи в цьому кабінеті, ніж в значній мірі визначив майбутню діяльність
здатного студента.
У 1823 р. завдяки щасливому випадку Ленц вдалося зайнятися
улюбленою справою.
Адміралтейство звернулося до професора Паррот з проханням
підібрати здібних студентів для проведення наукових спостережень в галузі «фізики,
геології і астрономії »на шлюпі, відправляється в навколосвітню плавання під командуванням
контр-адмірала Крузенштерна. Ленц був призначений фізиком експедиції і повинен був робити
спостереження на морі і на суші (вимірювати глибини і температуру моря, вивчати властивості
морської води, визначати вологість повітря, спостерігати за атмосферними явищами,
виверженням вулканів, досліджувати магнітне відхилення і т. д.).
За підтримки Паррот Ленц конструює спеціально для
експедиції два прилади - глибиномір і батометр (для взяття проб води та вимірювання температур
на різних глибинах). Відзначимо, що переваги Батометр Ленца були по достоїнству
оцінені лише в другій половині XIX ст. А відомий адмірал С.О.
Макаров писав у 1894 р., що з усіх «... способів доставлення
води з великих глибин я визнаю найкращим той спосіб, який вживав Ленц
в 1824-26 рр.. ».
Протягом трьох років експедиції майже всі вимірювання Ленц
проводив особисто і вручну, але він зумів отримати точні й цікаві дані. Йому
вдавалося навіть знаходити час для занять фізикою та математикою, вивчити їх в обсязі
університетських курсів.
Після повернення з подорожі в липні 1826 Ленц готував
звіт про спостереження. Доповідь про результати експериментів під час експедиції, який продемонстрував
його неабиякі здібності фізика-експериментатора, притому активно використовував
математичний апарат для аналізу і узагальнень, був представлений в Академію наук
в 1828 р. і отримав найвищу оцінку спеціальної комісії. Ленц був обраний ад'юнктом
Академії з фізики (у постанові зазначалося, що він, будучи «російським уродженцем»,
в усіх відношеннях «заслужив такого обрання»).
Навесні 1829 Ленц знову робить цікаву подорож.
Цього разу в складі наукової експедиції Академії наук на Ельбрус. Йому були доручені
магнітні та гравітаційні спостереження. У червні 1829 Ленц брав участь у сходженні
на вершину Ельбрусу і, не дійшовши до неї лише 600 футів, вперше зробив за допомогою
барометра метеорологічні спостереження, що дозволили визначити висоту Ельбрусу.
Після повернення з о моря, в Баку і Астрахані. Зокрема,
він спостерігав що виходять на поверхню горючі гази, взяв їх зразки, а також зразки
нафти. Результати спостережень, особливо описи нафтових багатств Апшеронського
півострова, були відзначені Академією наук. Цікаво відзначити, що ще за два
місяці до повернення експедиції Е.Х. Ленц в 1830 р. заочно обирається екстраординарним
академіком. Йому було всього 26 років!
Великий внесок у теорію електричних машин внесли дослідження
Ленца (1845-47 рр..), Який довів залежність генерується струму від швидкості обертання
якоря. Він відкрив явище «реакції якоря» і не тільки пояснив його, але і запропонував
практичний спосіб ослаблення цього явища шляхом зрушення щіток з нейтральної лінії
машини.
У сучасній електровимірювальної техніки широке застосування
отримав осцилограф. Але далеко не всім відомо, що задовго до винаходу цього
приладу Ленц сконструював спеціальний комутатор, за допомогою якого вперше зняв
фазові криві струму намагнічування, зображені їм у вигляді синусоїд.
Спільно з академіком Б.С. Якобі Ленц провів важливі для
практичної електротехніки дослідження законів намагнічування заліза, прагнучи
отримати «більш глибоке уявлення про швидкість, з якою залізо сприймає
магнетизм ». Високу оцінку сучасників отримали роботи Ленца і Якобі «Про закони
електромагнітів »та« Про тяжінні електромагнітів ». Тільки через 30 з гаком років
були опубліковані результати досліджень А.Г. Столєтова, які розвивали роботи Якобі
і Ленца по магнетизму і дали більш точні методи розрахунку магнітних кіл.
Діапазон наукових інтересів Ленца був разючий. Один
з винахідників в галузі електромедіціни зіткнувся з труднощами при підключенні
декількох хворих у паралельні ланцюги джерела. Дізнавшись про це, Ленц в 1844 р.
вивів формулу для визначення струму в будь-який з паралельно з'єднаних гілок, що містять
джерела електрорухомий сил. Він по праву є попередником німецького вченого
Г. Кірхгофа, що встановив у 1847 р. два закони електричних ланцюгів, що носять його
ім'я.
Закон теплового дії струму
Електромагнітне дію струму було не єдиною сферою
«Електротехнічних» інтересів Ленца. Не менш значимі роботи належать йому і
в дослідженнях теплового дії електричного струму. До закону теплового дії
струму Ленц прийшов незалежно від досліджень англійського фізика
Д.П. Джоуля. Ще в 1832-1833 рр.. вчений звернув увагу
на те, що при нагріванні металевих провідників їх провідність істотно
змінюється. Це ускладнювало розрахунок електричних кіл. Визначити кількісну
залежність між струмом і що виділяється їм теплотою було неможливо, тому що не було
ні точних приладів для вимірювання струму, ні джерела постійної електрорушійної сили,
ні надійного методу вимірювання опору. Ленц використовував свої власні або
вдосконалені їм вимірювальні прилади і особливо тщательноіографов вченого,
його «схема була зібрана за останнім словом техніки того часу».
Ленц запропонував «свої» одиниці струму і напруги. Він же
сконструював прилад-посудина для вимірювання кількості що виділяється в дроті тепла.
У посудину заливався розведений спирт, що володіє значно меншою електропровідність,
ніж вода, використаний у дослідах Джоуля. Через платинову дріт пропускався
струм. Вчений провів велику серію дослідів, при яких вимірювався час, необхідний
для нагрівання рідини на 10С.
У 1843 р. Ленц опублікував закон, сформульований наступним
чином: «Нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно квадрату службовця
для нагрівання струму ».
Джоуль опублікував відкритий ним аналогічний закон у
1841 Реакція Ленца була по-науковому коректною. Він підкреслив, що, хоча його
результати «в основному збігаються з результатами Джоуля, вони вільні від тих обгрунтованих
заперечень, які викликають роботи Джоуля ». Джоуль виконав значно менше
вимірювань і користувався приладом, що давали ряд похибок. Тому закон про тепловий
дії струму завдяки виняткової точності і докладності вимірювань Ленца
увійшов в історію науки під назвою «закон Джоуля-Ленца».
Майстерність Ленца як блискучого експериментатора проявилося
і при переконливою перевірці справедливості експериментів французького фізика Пельтье,
відкрив в 1834 р. нове явище, назване згодом «ефектом Пельтьє». Якщо
через спай двох різнорідних металів пропустити електричних?? ий струм, то в спае відбувається
або виділення, або поглинання тепла в залежності від напрямку струму. Власними
експериментами Ленц підтвердив висновки Пельтьє. Пропустивши струм через спай вісмуту
і сурми, він заморозив воду, що оточувала спай.
Дослідження Ленца
торкнулися також електрохімічні явища: він вивчав, зокрема, поляризацію електродів.
Йому вдалося встановити залежність ЕРС поляризації від матеріалу електродів і дотичної
з ними рідини.
Вчений і педагог
Майже 30 років життя Ленц присвятив педагогічної роботи
в Петербурзькому університеті, де завдяки його зусиллям започаткована і отримала світове
визнання Петербурзька фізико-математична школа. У 1856-1859 рр.. він заступав
посаду ректора університету, а в 1863-му став першим обраним ректором. Йому належить
заслуга докорінної реорганізації викладання фізико-математичних дисциплін, що сприяла
їх справжнього розквіту.
За відгуками численних учнів, які стали великими вченими
і педагогами, лекції Ленца відрізнялися високим науковим рівнем і педагогічним
майстерністю, чіткістю формулювань і доступністю викладу складних фізичних
явищ.
За словами одного з його учнів, «... улюбленої ж його спеціальністю
було читання курсу про електрику, магнетизм і гальванізму по власних записок,
супроводжувалося дослідами, які завжди були вдалими ».
Фізічесал брати деякі прилади для занять вдома, і
«... Взагалі нікому, хто справді хотів працювати, не відмовляв ні в радах,
ні в засобах ». У ті роки ні в одному європейському університеті не практикувалися
лабораторні заняття студентів. Першість у цьому починанні належить одному з
найталановитіших учнів Ленца Ф.Ф. Петрушевська, який ввів у 1866 р. в університеті
такі заняття.
Як писали біографи Ленца, «численні учні Ленца
та учні його учнів створили той передовий загін російських фізиків, які разом
з іншими фізиками прославили нашу Батьківщину численними видатними відкриттями.
Згодом вони створили ядро Російського фізичного товариства, організованого в
1872 при Петербурзькому університеті ».
Крім університету, Ленц викладав фізику в Михайлівському
артилерійському училищі і в Головному педагогічному інституті. Серед його учнів
в педінституті був геніальний хімік і фізик Д.І. Менделєєв. За свідченням його
біографів, Ленц як вчений і особистість зробив помітний вплив на формування світогляду
Менделєєва.
Видатні заслуги Ленца отримали високу оцінку в Росії
і за кордоном. Вже в 1840 р. Гельсінгфорскій університет надав Ленц вчений ступінь
доктора філософії, він був обраний членом-кореспондентом Академії наук у Турині та
Берлінської академії наук, почесним членом ряду наукових товариств у країнах Європи.
Найбільш відомі учні Ленца відіграли важливу роль у
розповсюдження та подальший розвиток вчення Фарадея-Ленца-Максвелла, в утвердженні
уявлень про нерозривну єдність електричних
і магнітних полів.
Визнаний основоположник ленінградської електротехнічної
школи ХХ ст. академік В.Ф. Миткевич був одним з кращих учнів професора Петрушевского
і по праву може називатися продовжувачем традицій Е.Х. Ленца.
Своїми працями в галузі фізики і електричних вимірювань
Е.Х. Ленц назавжди прославив своє ім'я як одного з корифеїв науки XIX ст.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані матеріали
з сайту http://www.connect.ru/
