От Вольта до Ома

В 1801 г. английские экспериментаторы Э. Карлейль (1768 — 1840) и У. Никольсон (1753 — 1815), ознакомившись с письмом Вольта еще до официального прочтения его членам Королевского общества, изготовили батарею элементов (согласно описанию Вольта) и с ее помощью впервые осуществили разложение воды. Опыты по разложению воды и других жидкостей были проведены по более широкой программе Г. Дэви (1778 — 1829) в Англии, И. Риттером (1776 — 1810) в Германии, В. В. Петровым (1761 — 1834) в России, Г. X. Эрстедом (1777 — 1851) в Дании.

Изучая действие вольтова столба, Петров установил, что его эффективность зависит не только от числа пластин и их размеров, но и от внешней части цепи. Он еще в 1801 г. указывал, что действие, производимое столбом, уменьшается с увеличением длины замыкающей проволоки и увеличивается с увеличением ее сечения. В 1803 г. в России вышла из печати монография Петрова «Известия о Гальвани-Вольтовых опытах», в которой было дано подробное описание экспериментов, осуществленных им с помощью «огромной наипаче баттареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков». В этой работе Петров описывает свои исследования по электропроводности жидкостей и первым из ученых, работавших в области электричества, вводит термин «сопротивление».

Самым важным в этой работе является открытие Петровым электрической дуги. «Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками, — пишет по этому поводу Петров, — будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством Гальвани-Вольтовой жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directores), сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может». Электрическая дуга, впервые полученная Петровым, представляла собой источник не только мощного света, но и высокой температуры, что было очень важно для металлургии.

В 1810 г. Дэви, не зная об исследованиях русского физика, выполнил опыты с батареей из 2000 элементов и пришел к тем же результатам, что и Петров в 1801 — 1803 гг. Экспериментируя далее с электрической дугой, Дэви заметил, что пламя дуги отклоняется магнитом, предвосхитив тем самым открытие Эрстедом связи электричества и магнетизма. Чрезвычайно интересны опыты Дэви по исследованию электрических цепей. Опыты поражают оригинальностью подхода к раскрытию тайн природы.

Еще Риттер заметил, что различные металлы по-разному проводят электричество. Однако он не сумел количественно оценить электропроводность металлов в связи с тем, что приборы для соответствующих измерений еще не были созданы. Дэви первому из ученых удалось определить проводимость металлов, которая оценивалась по скорости накаливания проволок из этих металлов, замыкающих полюса гальванической батареи. В дальнейших опытах Дэви использовал тот факт, что процесс разложения воды начинается при строго определенном значении напряжения. В электрическую цепь параллельно установке для разложения воды он включал испытуемые проводники. Уменьшая длину проводника, он замечал, при каком ее значении прекращается разложение воды. В результате этих исследований ему удалось установить, что 1 дюйм платиновой проволоки, 6 дюймов серебряной, 5,5 медной, 4 золотой, 3,8 свинцовой, 0,9 проволоки из палладия и 0,9 дюйма железной проволоки имеют одинаковое сопротивление. В этих же экспериментах он указал на существование обратной пропорциональности между сопротивлением проводника и его поперечным сечением.

21 июля 1820 г. в Копенгагене на латинском языке выходит статья датского физика Г. X. Эрстеда, содержащая описание опытов, благодаря которым ему удалось установить связь между электричеством и магнетизмом, которую так категорически отрицал Гильберт. «Основной вывод из этих опытов, — пишет Эрстед, — состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут». Кроме этого, Эрстедом была установлена пропорциональность между интенсивностью движущегося электричества (силой тока. — В. К.) и углом отклонения магнитной стрелки.

Понимая важность своего открытия, Эрстед разослал отдельные оттиски своей работы всем крупным физикам, во все научные учреждения. Результат этой акции не заставил себя долго ждать: интерес, который ученые проявили к опытам Эрстеда, был беспримерным.

Спустя всего лишь несколько дней после выхода из печати   этой   работы   Эрстеда   швейцарский   физик Ш. Г. Де ля Рив (1770 — 1834) продемонстрировал перед участниками съезда естествоиспытателей   и врачей, проходившего в Женеве, опыты, описанные датчанином. Французский физик Д. Ф. Араго (1786 — 1852), присутствовавший на этом съезде, тотчас же по возвращении во Францию на заседании Академии наук 4 сентября 1820 г. сделал сообщение о важнейшем открытии в области электричества, а через неделю, 11 сентября, перед той же аудиторией Араго по просьбе академиков воспроизвел опыты, поставленные Эрстедом. Еще через неделю, 18 сентября, член Академии математик А. М. Ампер (1775 — 1836), присутствовавший на предыдущих заседаниях, сообщил своим коллегам об установлении им «правила пловца» для определения направления отклонения магнитной стрелки током и о своем открытии пондеромотороного взаимодействия токов, которое он назвал электродинамическим. На очередном заседании Академии 25 сентября Ампер доложил об установлении им количественного выражения закона взаимодействия токов (закон Ампера) и показал ряд разработанных им экспериментов по взаимодействию токов. На следующем заседании он сообщил о том, что свободно подвешенный соленоид с током в магнитном поле Земли ориентируется также, как и магнитная стрелка. На этом же заседании коллеги Ампера Ж. Б. Био (1774 — 1862) и Ф. Савар (1791 — 1841) доложили о результатах своих опытов по установлению закона действия прямого проводника с током на магнитную стрелку. Эти поиски были удачно завершены после того, как член этой же Академии П. С. Лаплас (1749 — 1827) поделился с экспериментаторами некоторыми математическими соображениями.

Весь этот поток исследований, которые представляют собой фундамент классической электродинамики, вызвала небольшая по объему работа Эрстеда. Однако значение работы Эрстеда для дальнейшего развития учения об электричестве этим не ограничилось.

Дело в том, что для исследования электрических цепей были совершенно необходимы электроизмерительные приборы, но в описываемое время их не существовало и неизвестно было, как подойти к их конструированию. Теперь же, используя открытие Эрстеда, о силе тока в цепи стало возможным судить по углу, на который отклонялась магнитная стрелка, расположенная около проводника с током.

Следующий шаг на пути создания электроизмерительных приборов был сделан Лапласом. Он высказал предположение, что увеличения угла отклонения магнитной стрелки можно добиться, если изогнуть проводник с током так, чтобы он проходил снизу и сверху магнитной стрелки. Это высказывание Лапласа было услышано: им воспользовался немецкий исследователь И. Швейггер (1779 — 1857), который в сентябре 1820 г. сконструировал и построил первый электроизмерительный прибор, названный впоследствии мультипликатором. Прибор представлял собой несколько витков проволоки, расположенных определенным образом. В центре одной из петель помещалась магнитная стрелка. Если под действием некоторого тока в прямом проводнике стрелка отклонялась на угол 30°, то эта же стрелка, внесенная в центр тройной петли, по которой проходил   такой  же ток, отклонялась на угол 90°. При внесении стрелки в другие витки этого же устройства поворот стрелки происходил в противоположном направлении вследствие другого направления тока.

Немецкий физик и издатель научных журналов И. X. Поггендорф (1796 — 1877) усовершенствовал прибор Швейггера, свернув изолированную шелком проволоку в круговые витки. Намотка имела минимальный радиус, достаточный для того, чтобы магнитная стрелка могла поворачиваться внутри нее (рис. 1). Чувствительность мультипликатора Швейггера — Поггендорфа определялась до некоторого предела числом витков проволоки.

В 1821 г., используя мультипликатор Швейггера — Поггендорфа, прибалтийский физик Т. И. Зеебек (1770 — 1831) открыл термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в электрической цепи, составленной двумя последовательно соединенными проводниками из разного материала, возникает возбуждающая сила (ЭДС — В. К.), если контакты между этими проводниками находятся при различной температуре. Величина электродвижущей силы пропорциональна разности температур контактов.

Наступило время для установления количественных связей, характеризующих процесс протекания электрического тока.

Прежде всего необходимо было выбрать величины, подлежащие измерению. Однако в начале 20-х годов XIX в. такие понятия, как напряжение, падение напряжения, сопротивление проводников, еще не укрепились в физике или не существовали совсем. Следствием неопределенности величин, характеризующих процесс протекания тока в цепи, было, как уже указывалось, отсутствие приборов для их измерения. Не был известен и механизм работы гальванических и термоэлектрических элементов. Разные токи по-разному нагревали проводники, что сказывалось на их сопротивлении. Несмотря на неоднократные попытки экспериментаторов найти соотношение между величинами, характеризующими ток (Беккерель, Дэви, Барлоу, Петров, Марианини), задача не поддавалась разрешению.

Только благодаря упорству, настойчивости, физической интуиции, уверенности в своих силах и той тщательности, с которой он проводил эксперименты, Ому удалось в конце концов преодолеть все препятствия и установить основной закон электрических цепей, справедливо названный его именем.