Общие соображения о природе тока

Maxwell. Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. I, § 59 (в конце).

ГЛАВА V. Природа электрического тока.

В настоящей главе мы в самых общих чертах ознакомимся с современным состоянием вопроса о природе электрического тока. Хотя вопрос этот по существу относится к области чистой физики, однако, электрический ток представляет собою столь основное явление во всех случаях практических приложений электрической энергии, что мы считаем целесообразным остановиться на рассмо­трении вопроса о том, каков вероятный механизм процесса, назы­ваемого электрическим током. Некоторое представление об этом оказывается особенно полезным, когда приходится углубиться в рассмотрение условий функционирования сложных электротехнических схем, аппаратов и машин, в частности, когда речь идет о каких-либо новых комбинациях этого рода.

Необходимо прежде всего совершенно отчетливо указать, что до настоящего времени науке еще не удалось выработать вполне законченной картины электромагнитного процесса, происходящего в цепи электрического тока. В силу отмеченной уже выше (см. §§ 45 и 57) нашей неспособности охватить электромагнитный процесс как одно целое, мы по необходимости весьма часто сосре­доточиваем внимание то на одной, то на другой стороне этого сложного явления, в связи с чем и возникло несколько точек зре­ния на природу электрического тока. Из всего сказанного должно быть ясно, что эти различные и, на первый взгляд, как будто бы не имеющие между собою ничего общего точки зрения в действи­тельности не противоречат одна другой и не исключают Друг друга, освещая лишь различные стороны одного и того же явления.

Задачей будущих исследователей в этой области необходимо считать именно согласование различных точек зрения на природу тока и увязку их в одно стройное целое, охватывающее все сто­роны электромагнитного процесса, воспринимаемого нами как элек­трический ток.

Кинетический характер процесса, имеющего место в цепи тока, безусловно признается всеми, и это обстоятельство является связы­вающим звеном между отдельными взглядами по вопросу о природе электрического тока. Кажущиеся разногласия существуют лишь по поводу того, что именно движется и как движется.

В первоначальной стадии представление об электрическом токе ограничивалось утверждением, что по проводнику течет „электри­чество". При этом речь шла исключительно о том, что происходит внутри проводника. С этой точки зрения сущность электрического тока состоит именно в движении электричества внутри проводника, в протекании его через любое поперечное сечение проводника. Подобное представление о природе тока наложило отпечаток на всю терминологию, которою мы пользуемся при описании явлений электрического тока. Рассматриваемая точка зрения выработалась и царила безраздельно в то время, когда электричество мыслилось как самодовлеющая физическая сущность, подобная некоторой по­движной жидкости, могущей занимать определенный объем или рас­полагаться на поверхности так называемых заряженных тел. Пред­полагалось, что электрическая жидкость, сосредоточенная в одном месте, может как-то взаимодействовать через пустое пространство с другой порцией электрической жидкости, сосредоточенной на некотором расстоянии где-либо в другом месте. Как известно, идея об электрической жидкости претерпела целую эволюцию, и в конце концов наука остановилась на признании двух самостоятельных видов электрических жидкостей, противоположных по своим свой­ствам (положительное и отрицательное электричество). Гипотеза об электрических жидкостях или массах в своей примитивной форме совсем не считается с чем бы то ни было вне объема, занятого „электричеством". Соответственно этому и при изучении процесса электрического тока сначала не усматривалось ничего характерного в пространстве, окружающем проводник, по которому течет ток.

Со времени Фарадея обращено внимание на особенное зна­чение промежуточной среды во всех электрических и магнитных явлениях. Стало ясно, что электрическая жидкость, электрическая масса или электрический заряд представляет собою лишь одну сторону того, что можно назвать электрическим состоянием какой-либо системы и что вообще говоря, необходимо рассматривать как неделимую совокупность, элементами которой являются электри­ческая деформация диэлектрика н электрические заряды. Электри­ческий заряд, с точки зрения Фарадея и Максвелла, представляет собою не что иное, как границу особой деформации диэлектрика или, вернее сказать, центр, вокруг которого диэлектрическая среда некоторым образом деформирована. В то же время работы Фара­дея и Максвелла утвердили признание исключительной роли среды в области магнитных явлений и выявили совершенную условность старых представлений о магнитных массах (см. § 31). Как-раз в течение первого периода научной деятельности Фарадея был сделан ряд важных открытий, обративших всеобщее внимание на то, что происходит в пространстве вокруг проводника с током.

В 1820 году Эрстед открыл влияние тока на расположенную вблизи магнитную стрелку и Араго удалось намагнитить электрическим током железо и сталь. В том же 1820 году Ампер доложил во Французской академии наук о своих наблюдениях над действием токов на токи и магнитов на токи. В 1831 году Фарадей открыл явление электромагнитной индукции тока. Все эти открытия пока­зали, что в пространстве вокруг проводника с током существует магнитное поле, представляющее собою неотъемлемое внешнее дополнение к тому движению электричества, которое происходит внутри проводника. С совершенною несомненностью в конце концов выяснилось, что тока, не сопровождаемого магнитным полем, никогда не бывает. Можно себе представить, что электрический ток, проте­кающий по некоторой замкнутой цепи, не сопровождается выделе­нием джоулева тепла (в случае сверхпроводника), не сопровождается никакими электролитическими действиями и, вообще, не сопрово­ждается какими бы то ни было так называемыми „внутренними" действиями, но в настоящее время нельзя себе представить элек­трического тока, не связанного с магнитным полем. Одним словом, ток есть явление электромагнитного характера, протекающее как внутри объема материального проводника, так и вне этого объема, где только наблюдается магнитное поле тока. Таким образом, при рассмотрении вопроса о том, где именно происходит то особое движение, которое и характеризует ток как явление кинетической природы, внимание исследователей естественно обращается также и к пространству вокруг проводника.

Максвелл, особенно обстоятельно анализировавший многие следствия, вытекающие из кинетической природы тока, и опирав­шийся при этом на идеи и опыты Фарадея, между прочим, так выражается по поводу движений электромагнитного характера, кото­рые происходят в системе (двух) токов: „...Эта движущаяся мате­рия, какова бы она ни была, не ограничивается объемом провод­ников, несущих два тока, но, вероятно, простирается по всему пространству, окружающему их". Сам Фарадей, относившийся с большою осторожностью к представлениям об электрическом токе, вытекающим из идеи об электрических жидкостях, склонен был видеть в проводнике, несущем ток, некоторую „ось"—„axis af power",—относительно которой как-то ориентированы электри­ческие и магнитные силы, действующие в цепи. В высокой степени характерно, что Фарадей, открывший законы электролиза и тем самым, казалось бы, давший убедительное доказательство тому, что представление о движении электричества внутри провод­ника, несущего ток, имеет непосредственное отношение к действительности, все же устремляет свой взор в пространство вне про­водника, когда в связи с явлениями электромагнитной индукции ищет ответа на вопрос об основных и характерных свойствах: электрического тока. В какой степени Фарадей склонен был

отвлечься от обычных представлений об электрическом токе, сви­детельствуют нижеследующие его слова: „Из двух предположений, весьма обычно принимаемых в настоящее время,—о магнитных жид­костях и об электрических токах— первое необходимо признать ошибочным, а быть может и оба ошибочны ".

Все современные движения науки об электромагнитных явлениях в полной мере подтверждают ту основную мысль, что в явлении электрического тока кинетический процесс не ограничен объемом проводника с током, но происходит и в пространстве, его окружаю­щем. Даже более того, можно считать за достоверное, что в про­цессе передачи электрической энергии по проводам первенствую­щую роль играет то движение, которое имеет место в диэлектрике, окружающем проводник. Передаваемая энергия течет вдоль про­водов, но не внутри проводов, а именно через диэлектрик вне проводов. То движение электричества, которое при этом несомненно имеет место внутри проводников и которое имеет самую тесную связь с электромагнитным процессом в целом, в отношении пере­дачи электрической энергии, повндимому, само по себе не играет никакой роли.

В нижеследующих параграфах мы остановимся несколько по­дробнее на тех отчасти достоверных, отчасти предполагаемых дви­жениях, которые имеют место внутри проводника с током, а также вне его, и которые в целом составляют один, по существу недели­мый, электрокинетический процесс.

Дата добавления: 2014-11-29