Закон Ома

Все блоги / Блоги людей 14 августа 2016 252   

Сколько времени надо чтобы разобраться с законом Ома для полной цепи? «I = U / ( R + r )» — четыре переменных, знак равенства и два арифметических действия. Возможно, где-нибудь во вселенной и живет разумный вид, способный сделать это быстро, но у Homo Sapiens на это ушло примерно столетие.

Эта история началась в лаборатории Генри Кавендиша в конце восемнадцатого века. Ученый исследовал процесс статического разряда. Напряжение он определял электроскопом, силу тока, за отсутствием еще не изобретенного амперметра, приходилось оценивать пропуская заряд через собственное тело. Кавендиш заметил, что сила электрического удара прямо пропорциональна напряжению, что и считается первой формулировкой закона Ома. Великий затворник не утруждал себя публикациями в научных журналах, так что о его открытии узнали лишь в конце девятнадцатого века при разборе архивов.

Наука тем временем узнавала о электричестве все больше и больше — природа молний, вольтов столб, электромагнит. Последнее изобретение позволило создать гальванометр и исследовать электрические процессы основываясь на показаниях электрических приборов, а не ощущениях экспериментатора.

Тем не менее от изобретения гальванометра до публикации Омом закона для полной цепи прошло 7 лет и признание он получил давно не сразу. Чтобы понять причину такого промедления, надо взглянуть на доступные экспериментаторам источники электричества.

Статические генераторы генерировали высокие напряжения при высоком внутреннем напряжении. Сила тока была маленькой и очень мало менялась в зависимости от величины внешнего сопротивления. Точно определить связь напряжения и тока в таких условиях было непросто.

Вольтов столб — очень простой в устройстве источник электрического тока, но его характеристики удручают. Он состоит из множества элементов — цинковых и медных пластин, разделенных прокладкой, пропитанной кислотой. Атом цинка отдает пару электронов, отделяется от цинковой пластины и в виде иона отправляется в плавание в кислоту. Электроны проходят по цепи и возвращаются в батарею, восстанавливая ионы водорода до газа. На медной пластине возникает множество мельчайших пузырьков водорода, быстро увеличивающих внутреннее сопротивление батареи в несколько раз, это явление было названо поляризацией батареи. То что водород восстанавливается у медной пластины, связано с разностью стандартных электродных потенциалов цинка и меди, детальное рассмотрение этого понятия выходит за рамки статьи.

Идеальная очистка цинка — недешевое удовольствие даже сейчас, а во времена изобретения вольтова столба она была банально невозможна. Мельчайшие частички примесей в цинке — железо, углерод, свинец, мышьяк и другие, действовали аналогично медному электроду, восстанавливая водород электролита. Между ними и пластиной цинка возникал электрический ток, который немедленно возвращался в цинковую пластину через электролит — на ничтожных расстояниях между пластиной цинка и частичкой примеси на его поверхности его электрическое сопротивление невелико. Эти процессы расходовали цинк без какого-либо полезного эффекта и были названы местным действием(local action).

Местное действие научились устранять лишь в 1835, много позже работ Ома, периодической очисткой цинкового электрода ртутью, а поляризация была устранена в 1836 Даниелем за счет использования гораздо более сложного устройства гальванического элемента.

Так что вольтов столб был неэкономичным и капризным электрическим источником. Из-за постоянно меняющегося внутреннего сопротивления, вывести закон Ома было очень непросто, и, несомненно, автору это удалось лишь благодаря огромному усердию и мастерству. Тем не менее, полученные результаты выглядели не слишком убедительно и Ому пришлось провести вторую серию экспериментов уже с термоэлементом из висмута и из меди, один из спаев которого находился в кипящей воде, а другой — в тающем снеге. Только так ему удалось добиться постоянства характеристик источника.

Признан закон Ома был далеко не сразу. Нам сейчас трудно даже представить дикую мешанину теорий о природе электричества в начале девятнадцатого века — теории одной и двух жидкостей, животное электричество, учения о разной природе гальванического и статического электричества и многие другие(см. например The Electric Current in Early Nineteenth-Century French Physics by Theodore M. Brown, Resistance to Ohm’s Law by Morton L. Schagrin). Отдельно стоит упомянуть разве что закон Барлоу, задержавший развитие телеграфии на несколько лет.

Тем не менее в 1840-х, с началом развития телеграфии, правота Ома стала очевидной. Но главный факап безволосых обезьян еще ждал своего часа.

Якоби сделал свою электрическую моторную лодку еще в 1834, запитав двигатель от вольтового столба. В связи с дрянными характеристиками источника он был заинтересован в извлечении максимальной мощности, поэтому он сформулировал простое правило — максимальная мощность снимается в том случае, если внутреннее и внешнее сопротивления равны.

Улучшения в технологии гальванических батарей и первые генераторы на слабых постоянных магнитах из железа не слишком исправили положение — источники оставались маломощными. Электротехники были заинтересованы в первую очередь в высокой мощности и старались уравнивать внутреннее и внешнее сопротивление. Шли годы и простое правило превратилось в догму.

В чем проблема такого решения? Мощность максимальна при равенстве сопротивления нагрузки и источника, но при этом половина энергии выделяется внутри источника в виде бесполезного тепла. Для эффективного использования нужно чтобы внутреннее сопротивление было как можно меньше внешнего.

Использование в генераторе электромагнитов резко увеличило их мощность. Промышленные динамо начинают выпускаться по крайней мере с 1867, но их конструкторы даже не пытаются минимизировать внутреннее сопротивление. Dynamo-Elecric Machines, The Jornal of Franklin Institute, 1878 — возможно первое в истории тестирование эффективности генераторов. В нем уже правило уравнивания сопротивления источника и нагрузки упоминается как данность. Исследованию подверглись 6 генераторов, КПД генератора-рекордсмена — 38%! Механические потери составили всего 7%, 21% ушел на вихревые токи, 33% потрачено на преодоление сопротивления обмоток. Остальные генераторы выдали на нагрузку 31%, 27%, 22%, 14% и 12%! При этом электротехническая проволока, с сопротивлением всего на 15% хуже современной производилась по крайней мере 8 лет, с 1870-го!

Внутреннее сопротивление эти генераторов составляло несколько Ом, при том что уменьшить его на порядок не составляло никакого труда, а о индуктивных потерях никто явно даже не думал. В 1878 году над проблемой электрификации начинает работать Эдисон. Он быстро замечает допущенную профессионалами ошибку и создает собственную конструкцию генератора. Его прототип, прозванный «длинноногой Мери» из-за характерной формы магнитов, имеет внутреннее сопротивление всего пол-Ома, а его якорь сделан из дерева, для уменьшения индукционных потерь. Это позволяет Эдисону добиться КПД в 90% — мировой рекорд.

После публикации описания этого генератора в Scientific America, #41 1879: 242, поднялся настоящий shitstorm(см. например SA #41 1879: 276, SA #41 1879: 305). Профессионалы легко и непринужденно ссылались на учебники, подкрепляя эти ссылки пространными рассуждениями. Понадобилось вмешательство самого лорда Кельвина, для того чтобы разобраться в разности между максимальной мощностью и максимальной эффективностью. Ситуация живо напоминает реакцию некоторых специалистов-ракетчиков на схему спасения первой ступени Фалькона — псевдонаучная болтовня маскирующая незамысловатое «предки так не делали, а они не дураки были».

Эдисон построил первую в мире электростанцию на полмегаватта на Pearl Street в Манхеттане, начав победоносное шествие постоянного тока по планете. Которое было бесцеремонно прервано током переменным — благодаря трансформаторам тот легко передавался на сотни и тысячи километров по высоковольтным линиям, в то время как низковольтная Эдисоновская система несла неоправданно большие потери даже при передаче электричества из одного конца Манхеттана в другой. Опять таки банальный закон Ома — высокое напряжение позволяет уменьшить ток и потери.

Не правда ли, поучительный набор промедлений и заблуждений?

  • Оцените публикацию
  • 0

Похожие публикации

@
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent