Открытие электрической дуги. Электрохимические исследования

Наибольший интерес из всех работ Петрова представляет открытие им в 1802 г. явления электрической дуги между двумя угольными электродами, соединенными с полюсами «огромной» батареи. Создание Петровым источника высокого напряженна явилось необходимым условием для получения устойчивой электрической дуги при небольших токах. Указывая на возможности широкого практического применения электрической дуги, Петров писал, что пламенем дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может», что в пламени дуги различные «металлы иногда мгновенно расплавляются, сгорают...», что «посредством огня» ду­ги он превращал окислы различных металлов в «металлический вид». Следовательно, опыты Петрова давали прямое указание на возможность применения электричества для целей освещения, плавки металлов и восстановления металлов из их окислов.

Предшественники Петрова не могли наблюдать явления дуга, так как они употребляли небольшие гальванические батареи, состоявшие большей частью из 100—200 элементов. ЭДС таких батарей были недостаточны для получения устойчивой дуги при огромных внутренних сопротивлениях батарей того времени. Известному английскому ученому Хэмфри Дэви (1778—1829 гг.) удалось получить электрическую дугу только в 1808 г., когда мм была построена большая гальваническая батарея, состоявшая из 2000 элементов.

В. В. Петровым было положено начало всестороннему исследованию явлений электрического разряда в вакууме. Он установил зависимость этих явлении от матери или, формы и по­лярности электродов, расстояния между ними и степени вакуума.

Пропуская электрический ток через разные жидкости и тела, Петров внимательно исследовал влияние материала и формы электродов на протекающие процессы; он применял самые разнообразные электроды: железные, серебряные, медные, оловянные, золотые, древесно-угольные, графитовые, марганцевые и др. Пет­ровым была правильно определена степень электропроводности некоторых веществ (древесного угля, льда, серы, фосфора, растительных масел) и выявлены их физико-химические свойства.

Петров впервые применил параллельное соединение электро­дов для демонстрации явления электролиза в нескольких трубках С водой, происходящего одновременно при пропускании электри­ческого тока через жидкости.

Работа Петрова с источником тока высокого напряжения неизбежно привела его к выводу о важном значении изоляции проводов. Им было предложено изготовлять электрические проводники покрытые сургучом или воском. Разработанный Петровым принцип изоляции проволочных проводников, заключающийся в покрытии их поверхности изолирующим слоем, нашел дальнейшее развитие в производстве кабельных изделий. Петров пришел к правильному выводу о высоких электроизоляционных свойствах жирных (растительных) масел.

Петров явился одним из первых физиков, высказавших правильный взгляд об общности и различии в проявлениях статического и гальванического электричества. Он сделал попытку выявить сущность электрических явлений, установить причины образования электричества, однако при современном ему уровне знаний такую задачу решить было невозможно. Заслуживает внимание мысль Петрова о том, что электрические явления обусловлены определенными физико-химическими процессами.

Рис. 10. Схема опыта Страхова (при опускании рук в чаши (а, б) цепь замыкается, и человек ощущает прохождение тока)

В 1802—1807 гг. ряду ученых, в том числе профессору Московского Университета Петру Ивановичу Страхову (1756—1827 гг.), удалось установить опытным путем, что земля и вода являются проводниками тока (рис. 10). Этим открытием была создана воз­можность применения земли и воды в качестве обратного (второ­го) провода при осуществлении установок и устройств для передачи электрического тока от генератора к приемникам.

В 1807 г. профессор Московского университета Федор Федоро­вич Рейс (1778—1852 гг.) обнаружил явление, получившее впос­ледствии название электроосмоса. Явление электроосмоса Рейс обнаружил при следующем опыте (рис. 11) в стеклянную U-об­разную трубку диаметром около 1 см и общей длиной 18 см была залита вода, а самый изгиб трубки заполнялся порошкообразным нерастворимым веществом (тертым камнем или песком) так что между обоими коленами трубки получалась пористая перегород­ка. В колена трубки вводились платиновые электроды и погружа­лись в воду. После присоединения этих электродов к полюсам вольтова столба около них начинали появляться пузырьки газов в результате разложения воды на кислород и водород. При этом во­да начинала сразу подниматься в колене, соединенном с отрицательным полюсом столба, и опускаться в другом колене, Походя под действием тока сквозь пористую перегородку. При отключении вольтова Столба вода вновь устанавлива­лась на прежнем уровне. В сво­их выводах из этих опытов Рейс указывает, что под действием электричества жидкость может переноситься сквозь пористые тела. Явление электроосмоса в современной технике получило практическое применение, в частности при осушке намывных плотин (электродренаж).

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические явления в гальванических элементах являются первичными, а по­явление тока есть их следствие, т.е. явление вторичное. Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей вce энергичнее стала противопоставляться химическая теория гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами. Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Ге­оргом Парротом (1767 - 1852 гг.), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно посредством окисления металлов, т.е. за счет изменения одного из веществ элемента. М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.

^: Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях происходящих явлений.

Теории электролиза были предложены рядом ученых: литовским профессором Гротгусом, шведским химиком Берцелиусом и др. Наиболее приближающейся к современным воззрениям на процессы электролиза явилась теория электро­лиза Теодора Гротгуса (1785—1822 гг.), которая была по суще­ству первой ионной теорией электролитических явлений. Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помо­щи гальванического электричества воды, а также растворенных в ней тел». В этом сочинении он указывал, что в частицах воды кислород и водород вследствие трения или соприкосновения друг с другом заряжаются противоположными по знаку заряда­ми еще до замыкания цепи. Источник тока Гротгус рассматри­вал как электрический магнит, имеющий два полюса. При замыкании цепи отрицательный полюс притягивает положи­тельно заряженный водород, а положительный полюс - кисло­род, имеющий отрицательный заряд.

Прохождение тока через воду, по мнению Гротгуса, сопровож­дается диссоциацией молекул и протекает следующим образом: ближайшая к положительному полюсу частица отдает кислород, который притянется положительным электродом и выделится око­ло него в виде газа; оставшийся водород этой частицы окислится за счет кислорода следующей частицы и вновь отдаст свой кисло­род положительному электроду и т.д. Точно так же частицы водоро­да будут притягиваться отрицательным электродом и выделяться около него в виде газа.

Важными особенностями теории Гротгуса явилось, во-пер­вых, указание на то, что частицы воды поляризуются еще до замыкания цепи, и, во-вторых, объяснение разложения нейт­ральной молекулы воды на положительные и отрицательные ионы.

Теория Гротгуса была передовой для своего времени, она про­держалась в науке более 70 лет, уступив место теории электроли­тической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем в 1833—1834 гг. Им же были пред­ложены термины электрод, анод, катод.

Взаимодействие электрического тока и магнита. Разработка основ электродинамики

Расширение и углубление исследований электрических явлений привели к открытию и изучению новых свойств электрического тока.

В 1820 г. были опубликованы и продемонстриро­ваны опыты Г. X. Эрстеда по наблюдению действия тока на магнит­ную стрелку, возбудившие большой интерес среди ученых разных стран и получившие в их трудах дальнейшие углубление и развитие.

Небольшая (менее 5 страниц) брошюра Эрстеда «Опыты, каса­ющиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». Произвела сенсацию среди европейских физиков.

Заслуживает внимания заключение Эрстеда о том, что «электричества конфликт» (т.е. встречное движение положительной и отри­цательной «электрической материи») в проводнике «...не ограничен проводящей проволокой, но имеет обширную сферу активности вок­руг этой проволоки... Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Очевидно, что Эрстед заблуждался, полагая, что на магнитную стрелку действует столкновение разнородных электричеств. Но о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказывал предположение в одном из своих трудов, изданном еще в 1812г.: «Следует испробовать, не производит ли электричество в своей самой скрытой стадии каких-либо действий на магнит, как таковой».

Вскоре после опубликования этой брошюры (в 1820 г.) немецкий физик Иоган X. С. Швейггер (1779—1857 гг.) предложил использовать отклонение магнитной стрелки электрическим током для создания первого измерительного прибора — индикатора тока. Его прибор получивший название «мультипликатора» (т.е. умножающего) представлялсобой магнитную стрелку, помещенную внутри рамки, состоящей из нескольких витков проволоки.

Рис. 12. Схема мультипликатора Швейггера

Однако вследствие влияния земного магнетизма на магнитную стрелку мультипликатора его показания были неточными. Ампер в 1821 г. показал возможность устранения влияния земного магне­тизма с помощью астатической пары, представляющей собой две магнитные стрелки, укрепленные на общей медной оси и располо­женные параллельно друг другу, с полюсами, обращенными в про­тивоположные стороны. В 1825 г. флорентийский профессор Леопольдо Нобили (1784 - 1835 гг.) скомбинировал астатическую пару с мультипликатором и устроил таким образом более чувстви­тельный прибор — прообраз гальванометра.

В 1820 г. Д. Ф. Араго было обнаружено новое явление — намаг­ничивание проводника протекающим по нему током. Если медная проволока, соединенная с полюсами вольтова столба, погружалась в железные опилки, то последние равномерно к ней прилипали. При выключении тока опилки отставали. Когда Араго брал вместо медной проволоки железную (из мягкого железа), то она времен­но намагничивалась. Кусочек стали при таком намагничивании становился постоянным магнитом. По рекомендации Ампера Ара­го заменил прямолинейную проволоку проволочной спиралью, при этом намагничивание иголки, помещенной внутри спирали, усиливалось. Так был создан соленоид. Опыты Араго впервые до­казали электрическую природу магнетизма и возможность намаг­ничивания стали электрическим током.

В процессе исследований Араго обнаружил (в 1824 г.) еще одно новое явление, названное им «магнетизмом вращения» и заклю­чавшееся в том, что при вращении металлической (медной) пла­стины, находящейся над магнитной стрелкой (или под ней), последняя также приходит во вращение. Объяснить это явление не смогли ни сам Араго, ни Ампер. Правильное объяснение этого яв­ления было дано Фарадеем только после открытия явления элект­ромагнитной индукции.

Новым шагом от качественных наблюдений действия тока на магнит к определению количественных зависимостей явилось установление французскими учеными Жаном Батистом Био (1774— 1862 гг.) и Феликсом Саваром (1791—1841 гг.) закона действия тока на магнит. Проведя ряд экспериментов, они установили (в 1820 г.) следующее: «если неограниченной длины провод с прохо­дящим по нему вольтовым током действует на частицу северного или южного магнетизма, находящуюся на известном расстоянии от средины провода, то равнодействующая всех сил, исходящих из Провода, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию частицы от провода, и общее действие провода на любой (южный или северный) магнитный элемент обратно пропорционально рас­стоянию последнего до провода». Обнаружение тангенциальной составляющей силы позволило объяснить вращательный характер движения проводника относительно магнита. Французский ученый Пьер Симон Лаплас (1749 - 1827 гг.) показал впоследствии, что сила действия, создаваемая небольшим участком проводника, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Важнейшее научное и методологическое значение в расшире­нии исследования новых явлений имели труды одного из крупнейшиx французских ученых — Андре Мари Ампера (1775—1836 гг.), заложившие основы электродинамики.

Его исследования в области электромагнетизма открыли новую страницу в истории электротехники. И при изучении этих явле­ний ярко проявились поразительные способности Ампера.

Он впервые узнал об опытах Эрстеда на заседании Парижской Академии наук, где их повторил во время своего сообщения Араго. Вместе с восхищением Ампер интуитивно почувствовал важность этого открытия, хотя ранее он не занимался изучением электро­магнитных явлений.

И ровно через неделю (всего через неделю!) 18 сентября 1820 г. Ампер выступает на заседании Академии с докладом о взаимо­действии токов и магнитов, а затем почти подряд — неделю за неделей (заседания Академии наук проводились еженедельно) он излагает перед крупнейшими французскими учеными ре­зультаты своих экспериментальных и теоретических обобщений, которые позднее были отражены в его знаменитом труде по элек­тродинамике.

В одном из писем Ампер подчеркивает, что он «создал новую теорию магнита, сводящую все явления к явлениям гальванизма».

Поразительна логика его обобщений: если ток — это магнит, то два тока должны взаимодействовать подобно магнитам. Теперь это кажется очевидным, но до Ампера никто так четко на это не указал. Блестящие познания в области математики позволили Ам­перу теоретически обобщить свои исследования и сформулировать известный закон, носящий его имя.

Рассмотрим более подробно работы Ампера в области электро­магнетизма.

Отметим прежде всего, что Ампером впервые были введены термин «электрический ток» и понятие о направлении электриче­ского тока. Кстати, это он предложил считать за направление тока направление движения положительного электричества (от плюса к минусу во внешней цепи).

Наблюдая отклонение магнитной стрелки под влиянием протекающего по проводнику тока. Ампер сумел сформулировать правило, позволяющее определить направление отклонения стрелки в зависимости от направления тока в проводнике. Это правило в то время было широко известно под названием «правила пловца» и формулировалось оно следующим образом: «Если мысленно расположиться человеку так, чтобы ток проходил пот направлению от ног наблюдателя к голове и чтобы лицо его было обращено к магнитной стрелке, то под влиянием тока северный полюс магнитной стрелки всегда будет отклоняться влево».

Особенно важное значение имели исследования Ампером взаи­модействий круговых и линейных токов. К этим исследованиям он подошел, основываясь на следующих рассуждениях: если магнит по своим свойствам аналогичен катушке или кольцевому провод­нику, обтекаемым током, то два круговых тока должны действовать друг на друга подобно двум магнитам.

Открыв взаимодействие круговых токов, Ампер начал исследование линейных токов. С этой целью он построил так называемый «станок Ампера», в котором один проводник мог изменять положение относительно другого проводника. В ходе этих опытов было установлено, что два линейных тока притягивают или отталкивают друг друга в зависимости имеют ли токи одинаковое направление или различное. Серия этих опытов позволила Амперу установить закон взаимодействия линейных токов: два параллельных и одинаково направленных тока взаимно притягиваются,между тем как два параллельных и противоположно направленных тока взаимно отталкиваются». Обнаруженные яв­ления Ампер предложил назвать «электродинамическими» в отли­чие от электростатических явлений.

Обобщая результаты своих экспериментальных работ. Ампер вывел математическое выражение для силы взаимодействия токов подобно тому, как это сделал Кулон по отношению к взаимодейст­вию статических зарядов. Эту задачу Ампер решил аналитиче­ским приемом, исходя из принципов Ньютона о взаимодействии масс и уподобляя этим массам два элемента тока, произвольно расположенных в пространстве. При этом Ампер предположил, что взаимодействие элементов тока происходит по прямой» соеди­няющей середины этих элементов, и что оно пропорционально длине элементов тока и самим токам. Первый мемуар Ампера об взаимодействии электрических токов был опубликован в 1820 г.

Электродинамическая теория Ампера изложена им в сочинении «Теория электродинамических явлений, выведенная исключи­тельно из опыта», изданном в Париже в 1826—1827 гг. Ампером было выведено известное математическое выражение закона взаи­модействия между двумя элементами тока.

Опираясь на труды предшественников, а также на важные ре­зультаты своих исследований, Ампер пришел к принципиально новому выводу о причине явлений магнетизма. Отрицая сущест­вование особых магнитных жидкостей. Ампер утверждал, что маг­нитное поле имеет электрическое происхождение. Все магнитные явления сводились им к «чисто электрическим действиям». Осно­вываясь на тождестве действия круговых токов и магнитов, Ампер пришел к выводу о том, что магнетизм какой-либо частицы обус­ловлен наличием круговых токов в этой частице, а свойства маг­нита в целом обусловлены электрическими токами, расположенными в плоскостях, перпендикулярных к его оси. Ампер подчеркивал, что «... эти токи вокруг оси магнита реально существуют, или, скорее, что намагничивание является операцией, посредством которой частицам стало сообщаться свойство возбуждать для этих токов такое же электродвижущее действие, какое имеется в вольтовом столбе... Магнитные явления вызываются исключи­тельно электричеством ... нет никакой разницы между двумя полюсами магнита, как их положение относительно токов, из которых этот магнит состоит». Разработанная Ампером гипотеза молекулярных круговых токов явилась новым прогрессивным ша­гом на пути к материалистической трактовке природы магнитных явлений.

Ампером в 1820 г. была высказана мысль о возможности созда­ния электромагнитного телеграфа, основанного на взаимодейст­вии проводника с током и магнитной стрелки. Однако Ампер предлагал взять «столько проводников и магнитных стрелок, сколько имеется букв..., помещая каждую букву на отдельной стрелке». Очевидно, что подобная конструкция телеграфа была бы весьма громоздкой и дорогой, что, по-видимому, помешало прак­тической реализации предложения Ампера. Потребовалось неко­торое время для того, чтобы найти более реальный путь создания телеграфа.

Значение работ Ампера для науки было весьма велико. Своими исследованиями Ампер доказал единство электричества и магне­тизма и убедительно опроверг царившие до него представления о магнитной жидкости. Установленные им законы механического взаимодействия электрических токов принадлежат к числу круп­нейших открытий в области электричества.