XIX век по праву называют серебряным веком русской литературы. Но это емкое образное определение справедливо и в отношении электротехники.
Россия была на самых передовых позициях научно-технического прогресса в этой области. Н.П. Петров подготовил хорошую почву для будущих исследователей, а ее возделали его продолжатели: Э.Х. Ленц, М.О. Доливо-Добровольский, Н.Н. Бенардос, Н.Г. Славянов, П.Н. Яблочков и многие другие. Очень почетное место в этом ряду занимает Эмилий Христианович Ленц.
Э.Х. Ленц родился 12 (24) февраля 1804 года в г. Тарту в семье чиновника городского магистрата. Его родной город имел богатую и драматическую историю. Он был основан в 1030 г. великим князем Ярославом I Мудрым. Город получил название Юрьев. Но под натиском немецких феодалов владения русских князей в Прибалтике были утеряны и в 1224 г. город обрел новых хозяев, которые переименовали его в Дерпт. А во времена Тридцатилетней войны он отошел к Швеции. Тогда и возник Дерптский университет. В 1721 г. город отходит к России, но университет был закрыт. И только в 1802 г. он открывается вновь.
Маленький Ленц последовательно начинает проходить ступеньки обучения: частная школа, гимназия, университет...
В начале он был обычным пареньком, но уже на первом курсе он увлекся физическим экспериментом. Ленц стремился провести эксперимент максимально достоверно и точно, что пригодилось очень скоро.
Его дотошность и аккуратность получила известность и в 1823 г. (Ленцу всего 19 лет!) Академия наук рекомендует молодого студента для участия в кругосветной экспедиции. Ее возглавил знаменитый русский мореплаватель – контрадмирал Крузенштерн.
Ученые экспедиции должны были проводить физические, астрономические, геологические, ботанические и зоологические исследования. Для студента II курса Э. Ленца дали задание: он отвечает за
физические измерения. Измерение глубины океана и температуры воды, исследование атмосферных и магнитных явлений. При постановке задания особо выделили требование: ... “аккуратности и правдивости наблюдений и их записей в специальном журнале, копии которого с надежной оказией обязательно направлять в Европу”.
Под руководством своего научного руководителя академика Е.И. Паррота Э. Ленц сконструировал и собственноручно изготовил два новых прибора – батометр (прибор для взятия проб воды с заданной глубины и измерения температуры), а также – глубиномер. Батометр оказался настолько удачным прибором, что даже в 1894 г. известный исследователь Арктики и знаменитый флотоводец С.О Макаров, выбрал его для экспедиции на корабле “Витязь”. Название прибору дал сам Э. Ленц.
Рутинные ежедневные наблюдения и исследования, обработка результатов отнимали львиную долю времени, но молодой человек находил время для продолжения учебы. Он самостоятельно изучает университетские курсы физики и математики, что заменило ему лекции и практические занятия.
В июле 1826 г. шлюп “Предприятие” благополучно возвращается в Кронштадт. Целый год Ленц обрабатывает результаты исследований и готовит аналитический отчет для Академии Наук. Авторитетная комиссия единогласно признает его результаты блестящими.
В мае 1828 г. Э.Х. Ленц единогласно избирается адъюнктом Академии Наук по разделу – физика. Он начал работать в самом авторитетном учреждении России. Отличное начало научной карьеры для молодого ученого. Отличное качество проведения экспериментов, которые он провел в кругосветном плавании, создает Ленцу авторитет прекрасного исследователя. Ленц получает приглашение на научную экспедицию на Эльбрус.
Экспедиция оказалась очень трудной. На вершину попал один проводник, а Ленц поднялся выше всех остальных, но от вершины его отделяло всего 200 м (?!). барометрические исследования позволили ему определить высоту
Эльбруса. Ленд и другие ученые выполнили комплекс очень важных магнитных, минералогических, метеорологических и других исследований, которые имели большую научную ценность. Ленц посетил Дагестан, Баку, Астрахань, побывал в ряде мест на побережье Каспийского моря, где подробно изучил образцы нефти и горных газов. Его исследования уровня моря – озера имеют ценность и поныне.
Недаром Академия наук оценила результаты Э.Х. Ленца чрезвычайно высоко и в отсутствие молодого ученого избирала его экстраординарным академиком.
Так пришли почет и слава, добытые упорным трудом.
После обработки результатов экспедиции на Эльбрус Э.Х. Ленц оставляет физическую географию и метеорологию и увлеченно начинает изучать электромагнитные явления. Но эти науки он никогда не забывал и справедливо, что в 1844 г. он избирается членом совета Русского географического общества.
В 1851 г. он издает учебник по физической географии, выдержавший шесть изданий. Отличительно чертой учебника были живость и простота изложения материала. Надо отметить это был первый российский учебник по физической географии.
Э.Х. Ленц преподавал физическую географию на протяжении 30 лет в Петербургском университете и 13 лет – в Михайловском артиллерийском училище. Как писала О.А. Лежнева (биограф Ленца): “…Ленц как физик-географ лишь немногим уступал Ленцу-физику”.
Надо было обладать отличной научной интуицией большой смелостью, чтобы бросить привычную работу и рискуя научным авторитетом, приступить к изучению электромагнетизма. Это теперь у каждого выпускника 11-го класса неплохое понимание электромагнетизма (в идеале, разумеется), а тогда эта область физики была мешком с обрывками знаний. Это была настоящая terra incognita – неизвестная земля.
Приборов почти не было, если не считать крутильные весы Кулона. Не было единой методики исследований, не было эталонов и единиц измерения электрических величин.
В 1832 г. Э.Х. Ленц решил разработать точный метод измерения индукционного тока, открытого М. Фарадеем.
Он предлагает баллистический метод измерений, который до сих пор широко используется в практике измерений (рис. 1):
Рис. 1
Данный метод измерений позволил ему установить: электродвижущая сила, возбуждаемая электромагнитом в катушке, пропорциональна числу ее витков и зависит от условий ее возбуждения. Этот вывод позднее подтвердил Д.К. Максвелл. Ленц, используя свои измерения впервые предложил формулу для расчета обмотки электромагнита.
Это изобретение Э.Х. Ленца было настолько революционным и новым, что издатель журнала “Annalen der Physic” Поггендорф не рискнул публиковать его работы. Изобретение Ленца определило работы немецкого физика В. Вебера на 15 лет, который создал электродинамометр для измерения переменного тока.
Баллистический гальванометр служил своему изобретателю верой и правдой. Ленц исследовал температурную зависимость сопротивлений различных металлов
И достиг при помощи баллистического гальванометра наивысшей точности для того времени. Формула Ленца для определения электропроводности металлов в зависимости от температуры до сих пор используется в инженерной технике. (Например, градуировка термометров сопротивления ТСП – 100 для самописцев КСМ – 4 производится по формуле Ленца). Но самым большим открытием Э.Х. Ленца является, безусловно, закон, носящий его имя. Очень часто его называют “правилом Ленца”, допуская ошибку.
В конце 1833 г. Ленца доложил Академии Наук о своих исследованиях, которые он провел в 1832 г. Его работа была опубликована в трудах Академии Наук под заглавием: “Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией”. Разумеется, вопрос о направлении индукционного тока и предшественников Ленца.
Еще М. Фарадей пытался сформулировать нечто подобное и пытался сконструировать для определения тока особый “приборчик”. Другие пытались найти это направление при помощи магнитной стрелки. Но получалось громоздко, неудобно, а главное – неточно. Тут и проявился гений Ленца во всем блеске. Внимательно изучив выдвинутые идеи, он дал закон, который вобрал в себя все частные случаи.
Но пора предоставить слово самому Э.Х. Ленцу. Его формулировка гласит: Если металлический проводник движется вблизи электрического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить в случае неподвижности данного проводника его перемещение в противоположную сторону.
Рис. 2
Закон Ленца был установлен за 8 (!) лет до опубликования работ немецкого ученого Р. Байера, который канонически считается одним из авторов закона сохранения и превращения энергии. Именно Ленцу принадлежит часть заслуг в открытии этого фундаментального закона природы. В 1845 г. профессор Ф. Нейман дал математическое выражение для э.д.с. индукции, которое подтвердило закон Ленца.
Открытие Ленца имело важное и принципиальное значение для практической электротехники: оно доказывало фундаментальный принцип обратимости электрических машин.
В 1838 г. Ленц построил генератор, а затем заставил его работать в качестве двигателя. Только в 1865 г. повторил его достижение итальянский профессор А. Пачинотти. На этом Ленц не остановился, доказав зависимость генерируемого тока от скорости вращения якоря. Попутно открыл явление “реакции якоря”, объяснил его мало того предложил способ ослабления этого явления путем сдвига щеток с нейтральной линии электрической машины (1845–1847 г.г.).
Сотрудничая с академиком Б.С. Якоби, Ленц (с 1834 г. Э.Х. Ленц – ординарный академик) провел ряд важных работ по изучению закономерностей намагничения железа.
По оценкам современников работы Ленца и Якоби “О законах электромагнитов” и “О притяжении электромагнитов” были актуальны на протяжении 40 лет. Только А.Г. Столетов дал более совершенные методы расчета магнитных цепей.
В 1844 г. Э.X. Ленц предложил частную формулу для любой из параллельно соединенных ветвей, которые содержали э.д.с. По ней рассчитывалась сила тока в любой ветви. Его по праву можно считать предшественником Г. Кирхгофа.
Но электромагнитными явлениями не ограничивался интерес Ленца к электричеству. Еще 1832–34 г.г. он обратил внимание на то, что при нагревании проводимость металлических проводников значительно возрастает. Это затрудняло исследования, но отсутствие приборов и эталонных источников э.д.с не давало возможности установить количественную связь между протекающим током и количеством теплоты.
Ленцу пришлось значительно улучшить уже изобретенные приборы, придумать ряд своих приборов, а главное тщательно продумать методику измерений и обработку результатов.
Для измерения силы тока он использовал прибор профессора И. Нервандера (г. Гельсинг-форс – ныне г. Хельсинки), но добавил к нему специальный успокоитель. Прибор стал точнее. Для измерения сопротивления Ленц использовал агометр Б.С. Якоби. И в этот прибор Ленц внес усовершенствование. Источником питания агометра стали батареи Даниеля, которые обеспечивали отсутствие поляризации, а, следовательно, более точные результаты.
Рис. 3
Ленц в сосуд заливал 85–86% раствор этилового спирта С2Н5ОН, а Джоуль – воду. Удельное электрическое сопротивление спирта – 1,5 х 105 Ом·м , а у дистиллированной воды – 104Ом·м, а это означает, что точность измерений у Э.Х. Ленца было выше, чем у Д.П. Джоуля.
На основе большой серии опытов Э.Х. Ленц в 1843 г. формулирует закон: “Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока”.
Авторитет Ленца был настолько велик, а результаты опытов безукоризненны, что закон вошел в историю физики под названием “закон Джоуля – Ленца”. (Правда, Джоуль опередил Ленца с публикацией (1841 г.), но он повел намного меньше измерений, в меньшем диапазоне температур, да точность вызвала сомнения у коллег-физиков).
Ленц – экспериментатор, буквально, спас французского физика Пельтье, который открыл “эффект Пельтье” (1834 г.), если через спай двух разнородных металлов пропустить ток, то в спас выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Из-за отсутствия материалов и приборов многие физики не могли повторить опыты Пельтье, а раз так, то и явления нет!
Проанализировав опыты Пельтье, устранив недочеты, ленц убедительно подтвердил результаты Пельтье (рис. 4).
Рис.4
В присутствии Б.С. Якоби и профессора И. Нервандера Ленц убедительно подтвердил эффект, заморозив воду, налитую в центр спая.
Ленц изучал и электрохимические явления. Ему удалось установить зависимость э.д.с. поляризации от материала электродов и рода электролитов. Особенно глубоко эти вопросы исследовал Ленц в совместных работах со своим учеником, профессором А.С. Савельевым.
Наряду с научными исследованиями, не менее эффективно Э.Х. Ленц работал на педагогическом поприще. Во многом, благодаря его усилиям, зародилась и получила мировое признание Петербургская физико-математическая школа. В 1856–1859 гг. он замещал должность ректора университета, а в 1863 г. его выбрали ректором. Он коренным образом реорганизовал преподавание физико-математических дисциплин.
Лекции самого ленца отличались высочайшим научным уровнем и педагогическим мастерством, четкостью формулировок и доступностью изложения сложных физических явлений.
Как писал А.С. Савельев: “... любимой же его специальностью было чтение курсов по электричеству, магнетизму и гальваническим явлениям по собственным запискам, сопровождавшиеся всегда опытами, которые всегда были удачными”.
Физический кабинет, которым заведовал Ленц, всегда был открыт для студентов. Некоторые приборы выдавались домой, а ученик Ленца Ф.Ф. Петрушевский организовал впервые в Европе лабораторные работы для студентов. (Ф.Ф. Петрушевский стал профессором физики и возглавил кафедру физики.)
Другой ученик Ленца – профессор Д.А. Лачинов доказал возможность передачи электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния.
Кроме университета Ленц преподавал физику в Михайловском артиллерийском училище и в Главном педагогическом институте. Один из его учеников в педагогическом институте – Дмитрий Иванович Менделеев.
По свидетельству биографов Менделеева Э.Х. Ленц как ученый и человек оказал заметное влияние на студента-сибиряка, привив на всю жизнь интерес к физике и физической географии, к изучению тепловых процессов в химии.
Заслуги Э.Х. Ленца получили высокую оценку в России за рубежом. В 1840 г. Гельсингфоргский университет присвоил ему степень доктора натуральной философии, он был избран член-корреспондентом Академии наук в Турине и Берлине, почетным членом физического общества во Франкфурте-на-Майне, Антикварного общества в Копенгагене, Берлинского географического общества, почетным членом советов Казанского и Харьковского университетов.
Ученики его учеников и в XX веке достойно несли и преумножали традиции Ленца. Знаменитый основоположник ленинградской школы электротехники академик В.Ф. Миткевич был одним из лучших студентов профессора Петрушеского. Своими работами в электротехнике В.Ф. Миткевич убедительно доказал верность научным традициям Э.Х. Ленца.
Э.Х. Ленц своими фундаментальными трудами по физике и электрическими измерениям навеки вписал свое имя в историю науки золотыми буквами.
Литература
1. Кудрявцев П.С. “Курс истории физики”, М., 1982 г.
2. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.Л. “Очерки по истории электротехники”, М., МЭИ, 1993 г.