Закон Ленця
У розвитку сучасних засобів зв'язку основну роль відіграли відкриття в галузі електромагнетизму, зроблені в XIX ст. вченими різних країн - М. Фарадеєм, Д.К. Максвеллом, Г. Герцем.
Після відкриття Фарадея багато явищ, пов'язаних з електромагнітною індукцією, залишалися недостатньо ясними.
Не існувало точних приладів та методів вимірювання електричних та магнітних величин, зокрема індуктованих струмів. Не було закону про спрямування цих струмів, були встановлено і кількісні характеристики явища електромагнітної індукції.
Ці та інші складні фізичні проблеми успішно вирішені видатним вітчизняним фізиком, петербурзьким академіком Э.Х. Ленцем.
Ім'я Е.Х. Ленца, як і імена видатних учених М. Фарадея, А.М. Ампера, Г.С. Ома, відомо кожній освіченій людині ще зі шкільної лави. Фундаментальні дослідження Ленца у сфері фізики та електромагнетизму принесли йому світову славу. Він по праву вважається одним із засновників вчення про електричні та магнітні явища.
Відкриття закону Ленца
Незважаючи на те, що перші наукові дослідження Ленца ставилися в основному до галузі геофізики, його найбільш визначні відкриття пов'язані з вивченням електромагнітних явищ. Особливий інтерес до цих явищ пояснюється, мабуть, помітною активізацією наукових досліджень у галузі електромагнетизму, пов'язаною з виявленням електродинамічних явищ, відкриттям найважливіших законів Ампером та Омом. Будучи неабияким експериментатором, Ленц не міг не переконатися у справедливості відкритих законів, тим більше що ще не існувало точних приладів та методів вимірювань електричних та магнітних величин, не було також загальновизнаних одиниць виміру та еталонів і навітьЗакон Ома багатьма фізиками ставився під сумнів.
Першим найважливішим винаходом Ленца була розробка балістичного методу вимірів вивчення законів індукції. У 1832 р., дізнавшись про відкриття Фарадеєм явища електромагнітної індукції, Ленц розпочав експерименти з метою встановлення кількісних законів індукції. Він вважав, що «сила миттєвого струму індукції» діє подібно до удару, причому сила цього удару може бути виміряна за швидкістю, що повідомляється стрілкою мультиплікатора – єдиного на той час індикатора електричного струму.
Схема установки Ленца полягала у наступному. На столі зміцнювався постійний магніт М з якорем А, що має обмотку, електрично з'єднану з мультиплікатором В. Показання мультиплікатора можна було спостерігати через оптичну трубу Т за допомогою дзеркала (рис. 1).
Балістичний метод вимірювання Ленца є основою сучасного балістичного гальванометра. Вочного приладу для вимірювання змінних струмів – електродинамометра Вебера, що дозволило Ленцу ще в 30-х роках зробити низку найважливіших відкриттів.
В результаті ретельного аналізу експериментів Ленц зробив ряд узагальнень і висновків, які пізніше отримали загальне визнання та подальший розвиток, зокрема у працях Максвелла.
Він встановив, що виникнення індуктованого струму залежить від швидкості відриву котушки від магніту; що електрорушійна сила, що збуджується в котушці, пропорційна числу витків і дорівнює сумі електрорушійних сил, що збуджуються в кожному витку; при цьому вона не залежить від матеріалу та діаметра обмотки якоря. Закономірності, вперше встановлені Ленцем, стали важливими кількісними характеристиками явища електромагнітної індукції. Він першим використав свої висновки для практичних цілей: вивів формулу для розрахункуобмотки електромагнітного генератора
Але найбільш видатним відкриттям Ленца став закон про спрямування індуктованого струму, що носить його ім'я (саме «закон», а не «правило», як його іноді називають).
Після відкриття М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції він та низка інших вчених запропонували мнемонічні та досить складні «правила», що дозволяють у окремих випадках визначати напрямок індуктованого струму.
У цій роботі Ленц писав: «По прочитанні статті Фарадея я прийшов до думки, що всі досліди з електродинамічної індукції можуть бути легко зведені до законів електродинамічних рухів, тому якщо ці останні вважати відомими, то будуть визначені і перші; це моє уявлення виправдалося на низці дослідів».
Заслуга Ленца полягає не тільки в тому, що він сформулював загальний закон про спрямування індуктованого струму, а й – що не менш важливо – переконливо довів справедливість закону збереження та перетворення енергії за взаємних перетворень механічної та електромагнітної енергії. (Термін «енергія» вперше було введено у 1853 р. англійським ученим Ренкіним.)
Дійсно, якщо переміщати під дією зовнішньої сили магніт або провідник зі струмом поблизу замкнутого провідникова енергія переміщення магніту або провідника зі струмом перетворюється на електромагнітну енергію струму індукції.
І головне: за законом Ленца напрямок індуктованого струму такий, що сила, що викликається, перешкоджає руху, яким він був викликаний, тобто в присутності магніту або провідника зі струмом потрібна більша витрата енергії, ніж за їх відсутності. І ця частина механічної енергії перетворюється на електромагнітну енергію індуктованого струму.
В історії науки і техніки не так часто зустрічаються приклади, коли одному вченомувдається здійснити як фундаментальні теоретичні дослідження, а й вказати шляхи їх практичного застосування.
Таким вченим був Е.Х. Ленц. На основі відкритого закону він вперше формулює принцип оборотності електричних машин (1833), а в 1838 експериментально підтверджує його за допомогою генератора, зверненого ним в двигун.
Тільки через чверть століття це відкриття Ленца отримало практичне застосування і стало одним з поворотних етапів у розвитку електротехніки та електромеханіки. Зауважимо, що у окремих джерелах неправильно вказується, ніби оборотність електричних машин Ленц встановив за спільної роботи з Б.С. Якобі. Це вдалося зробити ще за чотири роки до приїзду Якобі до Петербурга.
Праці Ленца, які друкувалися у вітчизняних та зарубіжних виданнях, були широко відомі серед фізиків усього світу. З ними був добре знайомий і Б.С. Якобі, який ще до приїзду в Україну побудував оригінальну модель електродвигуна.
Юний мандрівник та винахідник
Після закінчення з відзнакою гімназії 1820 р., де Е.Х. Ленц серйозно захопився природничими науками та математикою, він вступає на природничий факультет Дерптського університету – одного з найстаріших наукових центрів України. В університеті завдяки зусиллям першого ректора, професора фізики Є.І. Паррота було створено один із найкращих у країні фізичних кабінетів. Паррот залучив Ленца до роботи у цьому кабінеті, чим значною мірою визначив майбутню діяльність здібного студента.
У 1823 р. завдяки щасливому випадку Ленцу вдалося зайнятися улюбленою справою.
Адміралтейство звернулося до професора Паррота з проханням підібрати здібних студентів для проведення наукових спостережень у галузі «фізики, геології та астрономії» на шлюпі, що вирушав докругосвітнє плавання під командуванням контр-адмірала Крузенштерна Ленц був призначений фізиком експедиції і повинен був проводити спостереження на морі та на суші (вимірювати глибини та температуру моря, вивчати властивості морської води, визначати вологість повітря, спостерігати за атмосферними явищами, виверженням вулканів, досліджувати магнітне відмінювання тощо).