История возникновения и развития электродинамики

Простейшие электрические и магнитные явления были известны в древние времена. Были найдены минералы притягивающие кусочки железа. Обнаружено, что янтарь, потёртый о шерсть притягивает лёгкие предметы.

Лишь в 1600 г. английский учёный Гильберт впервые разграничил электрические и магнитные явления. Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга.

В 18 веке проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, создан первый конденсатор (лейденская банка -1745) и появилась возможность накапливать большие электрические заряды. Была обнаружена электрическая проводимость. В конце 18 века появились различные электроизмерительные приборы – электроскопы. Французский физик Ш.Кулон в 1785 году экспериментально установил закон взаимодействия зарядов, что позволило определить количественно величины зарядов и силы их взаимодействия.

В конце 18 века два итальянских учёных Гальвани и Вольт создали гальванический элемент, благодаря которому стало возможным получать электрический ток в течение достаточно длительного времени.

Алессандро Вольта	Фотография вольтова столба, изготовленного самим Вольта. Столб уничтожен во время пожара в 1901 году

.

До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой. Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов: электростатическую индукцию и трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков.

По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.

Динамо-машина Йедлика

В 1827 венгр Аньош Иштван Йедлик начал экспериментировать с электромагнитными вращающимися устройствами, которые он называл электромагнитные самовращающиеся роторы. В прототипе его униполярного электродвигателя (был завершен между 1852 и 1854) и стационарная и вращающаяся части были электромагнитные. Он сформулировал концепцию динамо-машины по меньшей мере за 6 лет до Сименса и Уитстона, но не запатентовал изобретение, потому что думал, что он не первый, кто это сделал. Суть его идеи состояла в использовании вместо постоянных магнитов двух противоположно расположенных электромагнитов, которые создавали магнитное поле вокруг ротора. Изобретение Йедлика на десятилетия опередило его время.

Диск Фарадея В 1831—1832 Майкл Фарадей открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Принцип, позднее названный законом Фарадея, заключался в том, что разница потенциалов образовывалась между концами проводника, который двигался перпендикулярно магнитному полю. Он также построил первый электромагнитный генератор, названный «диском Фарадея», который являлся униполярным генератором, использовавшим медный диск, вращающийся между полюсами подковообразного магнита. Он вырабатывал небольшое постоянное напряжение и сильный ток.

Рисунки из рабочих тетрадей Фарадея:

1 — повторение опыта Эрстеда;

2 — пояснение к электромагнитному вращению;

3 — рисунок первого в мире электродвигателя;

4 — кольцо, на котором была открыта электромагнитная индукция;

5 — катушка, в которую быстро вдвигается магнит возникновение электричества за счет движения магнита;

6 — первый в мире электрогенератор диск, вращаемый между полюсами магнита.

Конструкция была несовершенна, потому что ток самозамыкался через участки диска, не находившиеся в магнитном поле. Паразитный ток ограничивал мощность, снимаемую с контактных проводов и вызывал бесполезный нагрев медного диска. Позднее в униполярных генераторах удалось решить эту проблему, расположив вокруг диска множество маленьких магнитов, распределенных по всему периметру диска, чтобы создать равномерное поле и ток только в одном направлении.

Рисунок 2.3 Диск Фарадея

Другой недостаток состоял в том, что выходное напряжение было очень маленьким, потому что образовывался только один виток вокруг магнитного потока. Эксперименты показали, что используя много витков провода в катушке можно получить часто требовавшееся более высокое напряжение. Обмотки из проводов стали основной характерной чертой всех последующих разработок генераторов.

Однако, последние достижения (редкоземельные магниты), сделали возможными униполярные двигатели с магнитом на роторе, и должны внести много усовершенствований в старые конструкции.

В 1802 г Российский учёный Петров В.В. построил гальванический элемент большой мощности и открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал возможности её применения

В1807 году английский учёны Г.Дэви осуществил впервые электролиз и получил ранее неизвестные металлы калий и натрий.

В 1826 году немецкий физик Г.Ом определил зависимость электрического тока от напряжения и сопротивления.

В 1830 году немецкий учёный К.Ф. Гаусс сформулировал основную теорему электростатики, а английский физик Дж.П. Джоуль в 1841 году установил связь между количеством теплоты, выделяющегося в проводнике, при движении по нему электрического тока.

Первым доказательством связи электрических и магнитных явлений стало экспериментальное открытие Эрстедом в 1819—1820 порождения магнитного поля электрическим током. Он же высказал идею о некотором взаимодействии электрических и магнитных процессов в пространстве, окружающем проводник, однако в довольно неясной форме.

В 1829 году французский физик А.М. Ампер обнаружил взаимодействие электрических токов, протекающих в проводниках.

В 1831 году Майкл Фарадей экспериментально открыл явление и закон электромагнитной индукции, ставшие первым ясным свидетельством непосредственной динамической взаимосвязи электрического и магнитного полей. Он же разработал (применительно к электрическому и магнитному полю) основы концепции физического поля и некоторые базисные теоретические представления, позволяющие описывать физические поля, а также 1832 году предсказал существование электромагнитных волн.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля сразу получили признание. Английский физик У.Томсон (Кельвин) развил теорию электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора и катушки (индуктивности) (1853)

В 1861 – 73 электродинамик получила свое дальнейшее развитие в работах Дж. Максвелла. Из уравнений Максвелла вытекало важное следствие о существовании электромагнитных волн. В 1864 году Дж. К. Максвелл впервые опубликовал полную систему уравнений «классической электродинамики», описывающую эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. Высказал теоретически обоснованное предположение о том, что свет является электромагнитной волной, то есть объектом электродинамики. Максвелл

В 1896 А.С. Попов предпринял попытки установить беспроводную связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио.

В 1897-98 году Томсон определил величину заряда электрона.

В результате попытки применить законы электродинамики в движущихся средах были установлены законы теории относительности А. Эйнштейном в 1905 г Уравнения Максвелла легли в основу квантовой электродинамики, развитой различными учёными в 20 годах 20 века, теории плазмы, квантовой электроники и других научных направлений.