Ю.О. Беличенко. Математическая теория электромагнитного поля. Гальванопластика

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

Почему возникает индукционный ток?
 

Глубокое объяснение явления электромагнитной индукции дал в 1860-1865 гг. английский физик Джемс Клерк Максвелл (1831–1879) — творец законченной математической теории электромагнитного поля.

Физический смысл уравнений Максвелла (кратко):

1. Всякое изменение магнитного поля во времени вызывает появление вихревого электрического поля (с замкнутыми силовыми линиями). Под действием возникающего электрического поля приходят в движение электроны, и в витке возникает электрический ток. Виток — это просто прибор, позволяющий обнаружить электрическое поле.

2. Протекание тока по проводникам и изменения электрического поля во времени приводят к появлению вихревого магнитного поля.

3. Источником электрического поля является электрический заряд.

4. Источники магнитного поля в виде магнитных зарядов в природе отсутствуют.

Система уравнений Максвелла с единой точки зрения объясняет всю картину электромагнитных явлений.

Из уравнений Максвелла вытекает существование электромагнитных волн, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле, которое способно существовать самостоятельно, в отсутствие электрических зарядов и токов.

Электромагнитные волны поперечны — векторы  и  перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны

Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна. Векторы ,  и  взаимно перпендикулярны.

2. Электромагнитные волны распространяются в веществе с конечной скоростью. Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных.

3. В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно, и электрическое и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры».

4. Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии.

5. Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающее или отражающее тело, хотя оно и ничтожно мало, (например, давление солнечного излучения на Землю примерно 5 мкПа). Первые эксперименты по определению давления излучения на отражающие и поглощающие тела, подтвердившие вывод теории Максвелла, были выполнены П. Н. Лебедевым в 1900 г. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения электромагнитной теории Максвелла.

Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет. Максвелл также предсказал возможность существования электромагнитных волн с длиной волны, превышающей видимый свет, которые сегодня мы называем радиоволнами.

Девятнадцать лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом!

В 1883 г. — немецкий физик Ге́нрих Ру́дольф Герц (1857 — 1894) с помощью устройства, которое он назвал вибратором, осуществил успешные опыты по передаче и приёму электромагнитных сигналов на расстояние и без проводов. Он также определил, что скорость их распространения — 300 тыс. км/сек. В 1889 году Герц подвёл итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла…».

Благодаря своим опытам Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света.

Законы Максвелла открыли дверь в современный мир электричества и электроники.

Мориц Герман Яко́би (на русский лад Бори́с Семёнович Якоби, 1801-1874, Санкт-Петербург, — русский физик-изобретатель немецкого происхождения уже знакомый нам по первому пишущему телеграфу), исходя из законов и представлений Ампера и Фарадея, дополненных собственными исследованиями, проведенными им в конце 1830-х гг. совместно с академиком Э. X. Ленцем, в 1839 г.

Якоби построил первый магнитоэлектрический двигатель, «магнитного аппарата», как он свой двигатель назвал, приводящий в движение на реке Неве против ее течения лодку с четырнадцатью человеками, и тем доказал возможность практического использования электродвигателей с непрерывным вращательным движением, и отправил рукопись с описанием в Парижскую академию наук. Рукопись была опубликована.

Но более известно имя Якоби в связи с открытием гальванопластики — практическими применениями электролиза, законы которого были установлены великим английским ученым Фарадеем, с которым Якоби состоял в дружеской переписке.  В 1936 г. работая с элементом, в котором на электроде оседала медь, он обратил внимание на то, что это оседание происходило ровным слоем, который затем можно было целиком оторвать от электрода. Форма поверхности полученного таким способом медного листочка полностью и в точности воспроизводила все неровности электрода. Якоби применил в качестве электрода медную дощечку, на которой было выгравировано его имя, и увидел, что отодранный от электрода листочек представляет собой негативный отпечаток дощечки с надписью. Он тотчас же оценил техническое значение этого факта и уже сознательно очень удачно снял копию с медного пятака. Якоби назвал этот прием «гальванопластикой».

Ему повезло — его открытиями интересовались люди, власть имущие, вплоть до императора Николая I. Ему были предоставлены все условия и средства для работы, а также занимались практическим проведением в жизнь его изобретений.

В особой гальванопластической мастерской при участии Якоби было изготовлено много замечательных произведений искусства: так, для статуй и барельефов Исаакиевского собора, статуй евангелистов, для Эрмитажа, Большого театра в Москве, Зимнего дворца, Петропавловского собора мастерская осадила гальваническим путем 6749 пудов меди!

Для позолоты куполов Храма Христа Спасителя в Москве, Исаакиевского собора, Петропавловского собора Слайд 199 и нескольких других небольших куполов и позолоты разных изделий мастерская эта израсходовала 45 пудов 32 фунта золота (1 пуд = 16,38 кг).

Якоби также разработал и усовершенствовал способ зажигания мин на расстоянии электрическим током и руководил применением этого метода в Кронштадтской крепости во время Крымской войны. Тогда гарнизон Кронштадтской крепости усиленно готовился к отражению нападения англо-французской эскадры. В 1855 при разведывательных операциях на минных заграждениях подорвалось четыре судна, и в конечном итоге англо-французские эскадры два года лишь блокировали Санкт-Петербург, но приблизиться к Кронштадту больше не пытались. Установленные впервые в мире минные заграждения явились главными аргументами в решении командования союзников развернуть свою эскадру.

На склоне лет Якоби заведовал Физическим кабинетом Петербургской академии наук. Он создал команды военных гальванеров, на основе которых выросла высшая электротехническая школа России. В 1872 г. в Париже он активно участвовал в качестве русского делегата в работе Международной комиссии по установлению однообразной международной системы мер и весов.

Хотя Якоби получил за изобретение гальванопластики в 1840 г. Демидовскую премию в 25 000 рублей, а в 1867 г. на Парижской выставке — большую золотую медаль и премию, но его отличительной чертой была скромность. Он никогда не подчеркивал и не афишировал своих многолетних трудов.