После открытия Вольта электричество стало более доступно не только профессиональным ученым, но и любителям. Изготовление источников тока не составляло труда и в новую область исследований устремились искатели не только истины, но и славы. Сообщения об электрических опытах занимали все больше места в научных журналах того времени.
Чисто качественные исследования уступали место установлению количественных связей. Это с необходимостью следовало из уже сделанного. Известно было, что электростатическая машина дает большую искру, сопровождающуюся сильным треском, и оказывает заметное физиологическое действие. Однако процесс разложения воды с помощью этого устройства длится лишь мгновение. Напротив, элемент Вольта дает малую искру с чуть слышимым треском, оказывает слабое физиологическое действие, но зато процесс разложения воды с помощью этого источника тока продолжается длительное время. Необходимо было как-то различать источники электричества; требовалось введение физических величин, характеризующих количество электричества и его интенсивность.
Экспериментаторы пытались решить вопрос о механизме работы источников тока. Было установлено, что элемент Вольта, изготовленный из пластин с большей площадью, лучше нагревает проволоки. Кроме того, было известно, что магнитное действие тока, возбуждаемого гальванической батареей, зависит от материала электродов этой батареи.
Исследователи (Риттер, Фуркруа, Тенар, Дэви) заметили, что проволока, соединяющая полюса источника тока, нагревается. Естественно, возник вопрос: одинаково ли будут нагреваться проволоки, имеющие разную длину и изготовленные из различных материалов? Опыт показал, что скорость и интенсивность накала проволок зависят от металла, из которого они изготовлены. Батареи разряжаются за различное время, если их замыкать проволоками из различных металлов. Появилось понятие электропроводности вещества.
Разрабатывались различные методы, с помощью которых можно было количественно оценить электропроводность металлов. Среди множества методов следует упомянуть сравнение электропроводности по степени накаливания проволок, замыкающих полюса гальванической батареи, и сравнение электропроводности по времени, которое требовалось для полного разряда батареи. После выхода из печати работы Эрстеда были предприняты попытки характеризовать электропроводность углом отклонения магнитной стрелки, помещенной около проводника с током.
Требовался скачок от созерцательного исследования и накопления экспериментального материала к установлению закона, описывающего процесс протекания электрического тока по проводнику. Заслуга в решении всех этих вопросов принадлежит Ому.
Трудностей на пути молодого ученого было много. Нужно было иметь научную смелость и уверенность в своих силах, чтобы браться за решение такой серьезной задачи. Необходимо было прежде всего ввести величины, характеризующие процесс протекания тока в цепи и качество гальванического элемента. Далее, необходимо было изготовить приборы, которые позволяли бы измерять эти величины. И наконец, требовались ум и интуиция ученого, который смог бы найти закон, связывающий эти величины. Были и другие трудности, о чем будем говорить впоследствии.
В основу своего электроизмерительного прибора Ом положил конструкцию крутильных весов Кулона. Магнитную стрелку подвешивали с помощью металлической проволоки над проводником, расположенным в направлении магнитного меридиана. При включении тока магнитная стрелка отклонялась на некоторый угол, и, чтобы вернуть ее в первоначальное положение, Ом закручивал головку, расположенную в верхней части установки, к которой был прикреплен подвес. Изменяя условия опыта, Ом измерял углы, на которые необходимо было повернуть головку, чтобы действием упругой силы в подвесе совместить магнитную стрелку с визирной линией. В качестве источника тока Ом использовал элемент Вольта из меди и цинка, помещенных в раствор соляной кислоты. Исследуемые проволоки, предварительно зачищенные для лучшего контакта, опускались в чашечки со ртутью, куда были помещены концы проводов от источника тока.
Для своих первых экспериментов Ом использовал пять проволок из платинированной меди различной длины, но одинакового поперечного сечения. С помощью описанного выше прибора Ом измерял значение «потери силы» — уменьшение магнитного действия тока за счет включения проволок различной длины. «Потеря силы», согласно рассуждениям Ома, должна быть пропорциональна углу поворота магнитной стрелки относительно магнитного меридиана. Для проволок, обозначенных по возрастающей длине а, b, с, d, е, Ом нашел следующие значения «потери силы» (в условных единицах): 0,12; 0,25; 0,35; 0,43; 0,58. Если считать остальную часть цепи неизменной во все время опыта, то полученные данные, как определил Ом, хорошо удовлетворяют формуле
где U — «потеря силы», магнитное действие тока; х — длина проволоки в футах.
Следующий шаг в исследованиях Ома — попытка обобщить полученное выражение для проволок произвольной длины. Дифференцируя найденную им формулу, ученый приходит к выражению:
и далее, по словам Ома, «...возникает мысль, не может ли быть общей формулой выражение
где постоянные m и a характеризуют неизменяемую часть цепи».
Интегрируя последнее выражение, Ом получает формулу:
При значениях a = 2,9 и m = 0,525 результаты, полученные экспериментально и вычисленные по формуле, найденной Омом, совпадают с достаточной точностью.
Кроме поисков закона, «по которому металлы проводят контактное электричество», Ом провел опыты по исследованию проводимости металлов. Для этой цели он брал несколько проволок одинакового сечения, изготовленных из различных материалов, и поочередно включал их в цепь. За стандартную эталонную проволоку Ом брал медную, имеющую длину один фут. При включении проволоки из другого материала Ом постепенно укорачивал ее до тех пор, пока отклонение магнитной стрелки не становилось таким же, как и отклонение эталонной. Остающаяся длина проволоки из исследуемого материала и принималась Омом за характеристику проводящих свойств данного материала.
Обозначая проводимость медной проволоки числом 1000, для других материалов Ом нашел следующие значения (в условных единицах): золото — 574, серебро — 356, цинк — 333, латунь — 280, железо — 174, платина — 171, олово — 168, свинец — 97.
Обращает на себя внимание тот факт, что проводимость серебра в опытах Ома получилась меньше, чем проводимость меди, тогда как по современным данным различия в проводимости меди и серебра не столь значительны. Сам исследователь отмечал, что приводимые им значения относительных проводимостей имели в его опытах большой разброс, и ему приходилось из нескольких измерений выбирать среднее. Нужно отметить, что точность измерений в этих опытах не удовлетворяла самого исследователя, и он обещает вернуться позднее к этому вопросу.
В этой же серии экспериментов Ом провел исследования зависимости угла отклонения магнитной стрелки от площади поперечного сечения проводников. Для этой цели он брал проволоки из одного и того же материала, но разной толщины — от 0,12 до 1,4 линии и, экспериментируя с ними, нашел, что проволоки из одного и того же материала, но различного поперечного сечения имеют одинаковую проводимость, если их длины пропорциональны их поперечным сечениям.
Результаты своих исследований Ом оформил в виде статьи под названием «Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество». Статья была опубликована в 1825 г. в «Журнале физики и химии», издаваемом Швейггером. Это была первая публикация Ома, посвященная исследованию электрических цепей.
Появление статьи, в которой описывались поиски закона электрических цепей и формула, связывающая величины, характеризующие процесс протекания тока в цепи, не вызвало интереса ученых, работающих в области электричества. Ученый мир был настроен выжидательно. Да и вряд ли смогла бы заинтересовать исследователей статья неизвестного в ученом мире школьного учителя. Тем более, что до этого Ом не имел научных публикаций, не имел научного имени.
Выражение, найденное и опубликованное Омом, оказалось неверным, что впоследствии стало одной из причин его длительного непризнания. Впрочем, и сам исследователь не претендовал на окончательное решение поставленной им задачи и даже подчеркивал это в названии вышедшей статьи. Поиски нужно было продолжать. Это чувствовал и сам Ом.
Но, несмотря на неудачу, появление первой статьи по избранному им вопросу показало, что Ому под силу решение поставленной задачи. Он самостоятельно сконструировал и изготовил экспериментальную установку. Исследуя электрическую цепь, он установил, что сила тока (его магнитное действие. — В. К.) одинакова в любых участках замкнутой цепи, хотя накал проволок различного диаметра был различным. Это означало, что определение значения тока по его тепловому действию не эквивалентно его значению, определяемому магнитным действием. В качестве характеристики тока он выбрал магнитное действие и был уверен в правильности сделанного шага. Интуиция и здесь не подвела ученого. Им же была самостоятельно разработана методика исследования зависимости магнитного действия тока от материала проводника.
Наибольший интерес представляет заключительная часть статьи. При чтении этой части чувствуется пристальное внимание Ома к деталям опыта, его наблюдательность и проникновение в суть эксперимента. В подтверждение сказанного приведем отрывок из этой работы Ома. Он пишет: «Доскональное решение вопроса об изменении магнитного действия тока при замене замыкающей проволоки в электрической цепи привело меня к следующим результатам.
1. Электрическая сила при включении любого проводника в первый момент после замыкания имеет самое большое значение, затем со временем постепенно убывает и достигает некоторого минимума (при этом свойства проводящей жидкости считаем неизменными). Если цепь будет некоторое время разомкнутой, то вторичное замыкание дает значение тока, равное первоначальному.
2. Минимум начальной силы достигается значительно быстрее для коротких проволок, чем для длинных (естественно, что сечение проволок одно и то же). Если после короткого проводника включить в цепь длинный, то величина магнитного действия тока будет постепенно расти, пока не достигнет некоторого максимума.
После того, как я обнаружил это явление и оценил его величину для различных случаев, я попытался установить причину того, почему нагревательный аппарат Волластона после прекращения работы возобновляет ее вновь, если его на короткое время извлечь из сосуда с кислотой. Я убедился в этом при следующих обстоятельствах. Цинковая и медная пластинки, используемые в опыте, были изолированы одна от другой с помощью слоновой кости. Провода от пластин опускались в латунные чашечки, наполненные ртутью. Латунная проволока обоими концами опускалась в эти же чашечки, то есть замыкала пластины. Изготовленный таким образом аппарат я помещал в раствор соляной кислоты; замыкающая проволока при этом нагревалась. Затем, не вынимая аппарата из раствора, я на короткое время размыкал цепь; при вторичном замыкании проволока накалялась вновь. Этот опыт можно было повторять многократно...»
Эти наблюдения Ома имеют в виду то, что накал проволоки со временем уменьшается. Чтобы добиться вновь такого же накала, как и в первые мгновения после замыкания, необходимо было на некоторое время разомкнуть цепь. Повторное включение вызывает тепловой эффект, равнозначный первоначальному.
Ом заметил, что размыкание цепи резко изменяет работу гальванической батареи, а если это так, то включение и выключение исследуемых проволок должно вызывать изменение интенсивности используемой батареи. Это значит, что элемент Вольта представляет собой явный источник погрешностей и, несмотря на ту тщательность, с которой Ом проводил свои измерения, получить точное выражение закона электрических цепей с использованием гальванической батареи не было никакой надежды.
Несмотря на правильность общей методики эксперимента, на внимательное отношение к деталям опыта, на точность установки, Ому не удалось решить поставленную им задачу. Полученные им результаты, как уже указывалось, были неточными. Причин этому много.
Добавить комментарий