реферат история техники. Законы Ленца_Андреева. Реферат на тему Законы Ленца Дисциплина "История радиоэлектронных средств" студент группы 22зпк1
 Скачать 492.38 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВО ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра: "Конструирование и проектирование радиоэлектронных средств" Реферат на тему: Законы Ленца Дисциплина: "История радиоэлектронных средств" Выполнил: студент группы 22ЗПК1 Андреева Л.С. Проверил: Баннов В.Я. Пенза, 2022 Биография выдающегося ученого.  Эмилий Ленц появился на свет 24 (12) февраля 1804 года в городе Дерпт (сейчас Тарту, Эстония), располагавшемся на территории Лифляндской губернии. Его отец трудился обер-секретарем городского магистрата, но довольно рано ушел из жизни. После окончания обучения в местной гимназии юноша поступает в Дерптский университет на естественно-научный факультет. Это посоветовал ему сделать дядя, профессор химии Фердинанд Гизе. Молодой и амбициозный студент сразу привлек внимание многих преподавателей своей целеустремленностью, трудолюбием и, конечно, огромным талантом. Ректор университета Егор Иванович (Георг Фридрих) Паррот создал в учебном заведении прекрасный физический кабинет и привлек к работе в нем Ленца. После смерти дяди, который оказывал ему материальную поддержку, в 1821 году Эмилий переводится на богословский факультет, так как там платили небольшую стипендию. Но теология не входила в сферу интересов любознательного студента и это замечали многие преподаватели. С 1823 по 1826 год Ленц принял участие в очередной кругосветке Отто Коцебу на 24-пушечном корабле «Предприятие», где участвовал в проведении научных исследований. Студента третьего курса привлекли не случайно – уже тогда он умел на высоком уровне проводить физические измерения, грамотно фиксируя полученные данные. Поэтому Паррот рекомендовал Адмиралтейству именно Ленца, как одного из лучших учеников. Эмилий изучал физические свойства океанической воды, наблюдал и подробно описывал атмосферные явления. Все это послужило началом точных наблюдений в области океанографии. Во время долгого плавания Ленц доказал наличие взаимосвязи между соленостью океанической воды и количеством солнечной радиации, а также силы ветра. Он сделал вывод, что наименее соленая вода на экваторе, так как там больше всего солнечного тепла, а воздух малоподвижен. В этих условиях в процессе испарения микрокапли остаются над поверхностью воды, создавая препятствие для воздействия солнца. Еще на этапе подготовки к плаванию ученый создал несколько приборов, которые помогли в изучении океана. Среди них батометр – устройство для взятия проб воды с большой глубины. В 1894 году адмирал Степан Осипович Макаров писал , что из всех «…способов доставления воды с больших глубин я признаю самым лучшим тот способ, который употреблял Ленц в 1824-26 гг.». Ленц также разработал циркуляционную теорию морских течений, правильность которой впоследствии подтвердили другие исследователи. Также он впервые четко обозначил задачи физической географии как научной дисциплины. По результатам экспедиции Ленц написал подробное сообщение о результатах работы, на основе которого позднее были изданы «Мемуары Санкт-Петербургской академии наук». Теперь стало ясно, что в стране появился замечательный физик-экспериментатор, прекрасно владеющий приемами математического анализа. Выдающиеся достижения в области геофизики помогли ученому стать адъюнктом Петербургской академии наук. В 1829 году Эмилий отправляется в составе первой экспедиции на Эльбрус, которую возглавлял генерал Георгий Арсеньевич Эммануэль. Его появление здесь не было случайным – поездка носила научный характер и участвовали в ней многие научные светила того времени – зоолог Эдуард Петрович Минетрие, геофизик Адольф Яковлевич Купфер, ботаник Карл Антонович Мейер. Официальным художником экспедиции выступал Иосиф Карлович Бернардацци. Во время путешествия ученый смог рассчитать высоту горы барометрическим способом. Ленц не остался в тени коллег и принял участие в финальном восхождении на вершину. Вместе с ним было еще трое человек – два проводника и казак Лысенков. Однако первым покорителем Эльбруса талантливый физик не стал – он был вынужден остановиться на высоте 5350 м из-за недостатка кислорода. В итоге первым поднялся на вершину местный горец Киллар Хаширов. Позднее по протекции Академии наук были сделаны две плиты на арабском и русском языках, содержащие надпись с упоминанием имен всех участников экспедиции, в том числе и Ленца. В этот период своей жизни Ленц активно изучал изменения уровня Каспия, установив, что его показатель выше, чем у Чёрного. Также он организовал изучение магнитных явлений в Николаевской обсерватории на Кавказе, а также исследовал выход на поверхность горючих газов в районе Баку. Неподалеку от города ученый собрал образцы нефти и водрузил футшток с целью фиксации уровня воды в Каспийском море. В 1836-м он возглавил кафедру физики и физической географии Санкт-Петербургского университета, с 1840-го был деканом физико-математического факультета. В этом же году ученый получил степень доктора Гельсингфорского университета. В 1843-м его избрали ректором Санкт-Петербургского университета. Почти 30 лет жизни Ленц посвятил педагогической работе в Петербургском университете, где благодаря его усилиям зародилась и получила мировое признание Петербургская физико-математическая школа. В 1856-1859 гг. он замещал должность ректора университета, а в 1863-м стал первым избранным ректором. Ему принадлежит заслуга в коренной реорганизации преподавания физико-математических дисциплин, способствовавшей их подлинному расцвету. По отзывам многочисленных учеников, ставших крупными учеными и педагогами, лекции Ленца отличались высочайшим научным уровнем и педагогическим мастерством, четкостью формулировок и доступностью изложения сложных физических явлений. По словам одного из его учеников, «…любимой же его специальностью было чтение курса об электричестве, магнетизме и гальванизме по собственным запискам, сопровождавшееся опытами, которые всегда были удачны». Ленц разрешал брать ученикам некоторые приборы для занятий дома, и «…вообще никому, кто действительно хотел работать, не отказывал ни в советах, ни в средствах». В те годы ни в одном европейском университете не практиковались лабораторные занятия студентов. Первенство в этом начинании принадлежит одному из самых талантливых учеников Ленца Ф.Ф. Петрушевскому, который ввел в 1866 г. в университете такие занятия. Как писали биографы Ленца, «многочисленные ученики Ленца и ученики его учеников создали тот передовой отряд русских физиков, которые вместе с другими физиками прославили нашу Родину многочисленными выдающимися открытиями. Впоследствии они создали ядро Русского физического общества, организованного в 1872 г. при Петербургском университете». Кроме университета, Ленц преподавал физику в Михайловском артиллерийском училище и в Главном педагогическом институте. Среди его учеников в пединституте был гениальный химик и физик Д.И. Менделеев. По свидетельству его биографов, Ленц как ученый и личность оказал заметное влияние на формирование мировоззрения Менделеева. Выдающиеся заслуги Ленца получили высокую оценку в России и за рубежом. Уже в 1840 г. Гельсингфорский университет присвоил Ленцу ученую степень доктора философии, он был избран членом-корреспондентом Академии наук в Турине и Берлинской академии наук, почетным членом ряда научных обществ в странах Европы.Наиболее известные ученики Ленца сыграли важную роль в распространении и дальнейшем развитии учения Фарадея-Ленца-Максвелла, в утверждении представлений о неразрывном единстве электрических и магнитных полей. Тяжелое заболевание глаз вынудило Эмилия Христиановича в 1864 году оставить научную и педагогическую деятельность и уехать в Рим на лечение. 29 января 1865 года ученый скоропостижно скончался. Похоронен знаменитый российский физик в Риме. Закон индукции - "Закон Ленца". В развитии современных средств связи основополагающую роль сыграли открытия в области электромагнетизма, сделанные в XIX в. учеными разных стран - М. Фарадеем, Д.К. Максвеллом, Г. Герцем. После открытия Фарадея многие явления, связанные с электромагнитной индукцией, оставались недостаточно ясными. Не существовало точных приборов и методов измерения электрических и магнитных величин, в частности индуктированных токов. Не было закона о направлении этих токов, не были установлены и количественные характеристики явления электромагнитной индукции. Эти и другие сложные физические проблемы были успешно разрешены Ленцем. Несмотря на то, что первые научные исследования Ленца относились в основном к области геофизики, его наиболее выдающиеся открытия связаны с изучением электромагнитных явлений. Особый интерес к этим явлениям объясняется, видимо, заметной активизацией научных исследований в области электромагнетизма, связанной с обнаружением электродинамических явлений, открытием важнейших законов Ампером и Омом. Будучи незаурядным экспериментатором, Ленц не мог не убедиться в справедливости открытых законов, тем более что еще не существовало точных приборов и методов измерений электрических и магнитных величин, не было также общепризнанных единиц измерения и эталонов и даже закон Ома многими физиками ставился под сомнение. Имея немалый опыт работы с крутильными весами Кулона, которые использовались в процессе экспериментов, уже в ноябре 1832 года Ленц подтвердил справедливость закона Ома, что способствовало признанию этого закона физиками разных стран. Первым важнейшим изобретением Ленца была разработка баллистического метода измерений для изучения законов индукции. В 1832 г., узнав об открытии Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц приступил к экспериментам с целью установления количественных законов индукции. Он считал, что «сила мгновенного тока индукции» действует подобно удару, причем сила этого удара может быть измерена по скорости, сообщаемой стрелке мультипликатора - единственного в то время индикатора электрического тока. Схема установки Ленца состояла в следующем. На столе укреплялся постоянный магнит с якорем, имеющим обмотку, электрически соединенную с мультипликатором. Показания мультипликатора можно было наблюдать через оптическую трубу с помощью зеркала.  Баллистический метод измерения Ленца лежит в основе современного баллистического гальванометра. Точного прибора для измерения переменных токов - электродинамометра Вебера, что позволило Ленцу еще в 30-х годах сделать ряд важнейших открытий. В результате тщательного анализа экспериментов Ленц сделал ряд обобщений и выводов, которые позднее получили всеобщее признание и дальнейшее развитие, в частности в трудах Максвелла. Он установил, что возникновение индуктированного тока зависит от скорости «отрывания» катушки от магнита; что электродвижущая сила, возбуждаемая в катушке, пропорциональна числу витков и равна сумме электродвижущих сил, возбуждаемых в каждом витке; при этом она не зависит от материала и диаметра обмотки якоря. Закономерности, впервые установленные Ленцем, явились важными количественными характеристиками явления электромагнитной индукции. Он первым использовал свои выводы для практических целей: вывел формулу для расчета обмотки электромагнитного генератора. Заметим, что издатель известного в те годы журнала «Poggеndorff's Annalen» не рискнул опубликовать столь необычные и смелые выводы Ленца, они были напечатаны в мемуарах Академии наук (1833). Но наиболее выдающимся открытием Ленца стал закон о направлении индуктированного тока, носящий его имя (именно «закон», а не «правило», как иногда его называют). После открытия М. Фарадеем явления электромагнитной индукции он и ряд других ученых предложили мнемонические и довольно сложные «правила», позволяющие в частных случаях определять направление индуктированного тока. Внимательно изучив все работы в этой области, Ленц в 1832 г. поставил ряд оригинальных опытов, а в ноябре 1833-го выступил в Академии наук с докладом «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Поскольку в литературе нередко неточно, а иногда и ошибочно формулируется закон Ленца, далее приведен первоначальный текст из его доклада. «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». В этой работе Ленц писал: «По прочтении статьи Фарадея я пришел к мысли, что все опыты по электродинамической индукции могут быть легко сведены к законам электродинамических движений, так что если эти последние считать известными, то будут определены и первые; это мое представление оправдалось на ряде опытов». Классическая современная формулировка закона Ленца такова: Индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток. Иначе говоря, если магнит приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся при этом в замкнутом проводнике ток (индукционный) своим магнитным полем обязательно будет отталкивать этот магнит. Схема, демонстрирующая закон Ленца.  Заслуга Ленца заключается не только в том, что он сформулировал общий закон о направлении индуктированного тока, но и - что не менее важно - убедительно доказал справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Действительно, если перемещать под действием внешней силы магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника механическая энергия перемещения магнита или проводника с током превращается в электромагнитную энергию тока индукции. И главное: по закону Ленца направление индуктированного тока таково, что вызываемая им сила препятствует движению, которым он был вызван, т.е. в присутствии магнита или проводника с током требуется большая затрата энергии, чем в их отсутствие. И эта часть механической энергии переходит в электромагнитную энергию индуктированного тока. Закон Ленца был установлен за восемь лет до опубликования первой работы немецкого ученого Р. Майера, который считается одним из основоположников закона сохранения и превращения энергии. Поэтому Ленцу принадлежит заслуга в закладке основ этого фундаментального закона природы. В 1845 г. немецкий физик Ф. Нейман впервые математически сформулировал теорию индукции и предложил выражение для электродвижущей силы индукции, подтверждающее закон Ленца. В истории науки и техники не так уж часто встречаются примеры, когда одному ученому удается осуществить не только фундаментальные теоретические исследования, но и указать пути их практического применения. Таким ученым был Э.Х. Ленц. На основе открытого закона он впервые формулирует принцип обратимости электрических машин (1833), а в 1838 г. экспериментально подтверждает его с помощью генератора, обращенного им в двигатель. Только четверть века спустя это открытие Ленца получило практическое применение и явилось одним из поворотных этапов в развитии электротехники и электромеханики. Закон Ленца необходим для многих применений в технике. Например, в вихретоковом тормозе. Этот тормоз не изнашивается, поскольку отсутствует трение. Тормозная сила генерируется магнитными полями. Например, такие тормоза есть у поездов и грузовиков. Электродвигатели также работают по этому принципу. Правило Ленца защитит нас, если в машину ударит молния. Клетка Фарадея также основана на этом принципе. Все металлодетекторы работают одинаково. Они генерируют магнитное поле с помощью катушки. Если в магнитном поле находится металлический предмет, в нем индуцируются вихревые токи. Согласно закону Ленца, эти токи направлены таким образом, что противодействуют причине возникновения тока. Поэтому магнитное поле детектора становится слабее. Это также уменьшает ток в металлодетекторе, эта разница измеряется, что приводит, например, к сигналу тревоги. Металлодетекторы также используются в некоторых светофорах, только здесь катушка расположена в асфальте под машинами. Таким образом, светофор, так сказать, замечает, что автомобиль ждет, и по возможности переключает его на зеленый. Закон Ленца важен для многих областей электротехники, а также в повседневной жизни. Закон Джоуля - Ленца. Электромагнитное действие тока было не единственной сферой «электротехнических» интересов Ленца. Не менее значимые работы принадлежат ему и в исследованиях теплового действия электрического тока. К закону теплового действия тока Ленц пришел независимо от исследований английского физика Д.П. Джоуля. Еще в 1832-1833 гг. ученый обратил внимание на то, что при нагревании металлических проводников их проводимость существенно изменяется. Это осложняло расчет электрических цепей. Определить количественную зависимость между током и выделяемой им теплотой было невозможно, так как не было ни точных приборов для измерения тока, ни источника постоянной электродвижущей силы, ни надежного метода измерения сопротивления. Ленц предложил «свои» единицы тока и напряжения. Он же сконструировал прибор-сосуд для измерения количества выделяемого в проволоке тепла. В сосуд заливался разбавленный спирт, обладающий значительно меньшей электропроводностью, чем вода, использованная в опытах Джоуля. Через платиновую проволоку пропускался ток. Ученый провел большую серию опытов, при которых измерялось время, необходимое для нагревания жидкости на 100С. В 1843 г. Ленц опубликовал закон, сформулированный следующим образом: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Джоуль опубликовал открытый им аналогичный закон в 1841 г. Реакция Ленца была по-научному корректной. Он подчеркнул, что, хотя его результаты «в основном совпадают с результатами Джоуля, они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля». Джоуль выполнил значительно меньше измерений и пользовался прибором, дававшим ряд погрешностей. Поэтому закон о тепловом действии тока благодаря исключительной точности и обстоятельности измерений Ленца вошел в историю науки под названием «закон Джоуля -Ленца». Формулировка закона выглядит следующим образом: «При прохождении электрического тока по проводнику количество тепла, выделяемого током в проводнике, прямо пропорционально силе тока, взятой во второй степени, величине сопротивления проводника и времени действия тока». Закон Джоуля-Ленца, с помощью которого определение количества тепла, выделяющегося при воздействии силы тока в проводнике, осуществляется достаточно просто, подтверждает также, что это количество напрямую зависит от сопротивления. Сам нагрев происходит в результате того, что свободные электроны, перемещаясь под действием электрополя, бомбардируют атомы молекул материала проводника. При этом они передают им собственную кинетическую энергию, преобразующуюся в тепловую. Чем выше сила тока, тем большее количество электронов проходит через сечение проводника, и тем чаще происходят столкновения между ними и атомами. Соответственно, проводнику передается большое количество энергии, и он сильно нагревается. В проводнике с большим сечением столкновений частиц будет намного меньше, следовательно, выделится меньше тепла. С учетом того, что между удельным сопротивлением любого проводника и его сечением существует обратно пропорциональная зависимость, можно сказать, что чем выше сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается. Руководствуясь законом Джоуля-Ленца, можно сделать два вывода: С увеличением сопротивления проводника, будет увеличиваться и количество выделяемой теплоэнергии. Иными словами, количество теплоты прямо пропорционально сопротивлению. Выделившееся количество теплоты в проводнике за время прохождения тока, зависит от мощности последнего. Иными словами, если увеличивается мощность тока, то количество свободных электронов, проходящих через проводник за единицу времени, тоже будет увеличиваться. Согласно закону сохранения энергии в физике, в проводнике под воздействием тока происходит преобразование кинетической энергии свободных заряженных частиц в тепловую внутреннюю энергию. Исследования Ленца легли в основу учения об электричестве и важнейших разделов практической электротехники. В лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля - Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава. Одной из областей применения закона Джоуля - Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети. Также закон Джоуля - Ленца влияет на выбор проводов для цепей. Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит, когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии. Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней. Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные электростанции с городами и поселками, отстоящими от них на десятки и сотни километров. Особенно показателен пример использования плавких предохранителей, наглядно демонстрирующий закон Джоуля — Ленца. Они применяются для защиты электрических цепей от больших токов, которые могут быть критичными, например, для бытовых приборов. В таких предохранителях используется отрезок проводника из специального сплава относительно малого сечения. При допустимых значениях тока для данной сети нагрев этого отрезка проводника не изменяет его физического состояния. Но как только значение тока превышает допустимое, проводник расплавляется и тем самым размыкает цепь. Фундаментальные исследования Ленца в области физики и электромагнетизма принесли ему мировую славу. Он по праву считается одним из основателей учения об электрических и магнитных явлениях. Своими трудами в области физики и электрических измерений Э.Х. Ленц навсегда прославил свое имя как одного из корифеев науки XIX в. |