Эмилий Христианович Ленц (1804-1865)

Ленц Э. Х.

Эмилий Христианович Ленц сыграл весьма важную роль в развитии учения об электричестве. Он существенно дополнил законы электромагнитной индукции, лёгшие в основу современной электротехники. Через год после их опубликования Э. X. Ленц установил закон, однозначно определяющий направление индуктированных токов во всех возможных случаях, указал на тесное взаимоотношение магнитно-электрических и электромагнитных явлений, а также изучил условия, от которых зависит сила всякого индуктированного тока. Всё это сделано и изложено Э. X. Ленцем с предельной ясностью и простотой в то время, когда представления большинства физиков о "гальваническом токе" и его отношении к "электрическим явлениям" были ещё чрезвычайно сумбурны и противоречивы. Известный русский учёный-электротехник и популяризатор В. К. Лебединский следующими словами оценивал в 1895 г. значение работ Э. X. Ленца в области учения об электричестве: "Напрашивается невольно сравнение с бессмертным Фарадеем. Опыты этих двух физиков раскрыли явления индукции и в то время, как теории Ампера и Вебера заменяются новыми, истинное опытов Фарадея и Ленца останется навсегда".

Эмилий Христианович Ленц родился 12 февраля 1804 года в г. Юрьеве (ныне Тарту) в Эстонии. Образование получил в родном городе и изучал в Юрьевском университете сперва теологию (богословие) и филологию, а затем естественные науки. Ещё до окончания университетского курса Э. X. Ленц, благодаря своим выдающимся способностям, был приглашён участвовать в качестве физика в кругосветном плавании Коцебу. Плавание продолжалось с 1823 по 1826 г. Работа в экспедиции предопределила на следующие годы направление научной деятельности Э. X. Ленца. Примерно до 1830 г. он работал над вопросами физической географии и приобрёл в этой области широкую известность. За это время он участвовал в экспедиции на Кавказ в окрестности Эльбруса, в 1829 г. ездил в г. Николаев для участия в наблюдениях качания маятника в этой точке земного шара, а также провёл некоторое время в Баку, на берегу Каспийского моря, где производил гидрологические наблюдения. В 1828 г. Э. X. Ленц был избран адъюнктом Петербургской академии наук и доложил там свой первый мемуар "О солёности морской воды и о температуре её в океанах на поверхности и в глубине". В этом мемуаре Э. X. Ленц подводил итоги работ, проведённых им во время кругосветного плавания. В 1830 г. Э. X. Ленц был избран экстраординарным, а ещё через четыре года - в 1834 г.- ординарным академиком. С 1830 г. в его заведывание перешёл собранный его предшественником по академии В. В. Петровым хорошо обставленный физический кабинет, который Э. X. Ленц продолжал пополнять. В конце 1835 г. или в самом начале 1836 г. Эмилий Христианович был приглашён профессором физики и физической географии в Петербургский университет. В университете он также усиленно занялся приведением в порядок и пополнением физического кабинета. В те времена широко был распространён обычай читать лекции по какому-либо иностранному учебнику с небольшими дополнениями, о чём так прямо и объявлялось в учебном плане. Ленц читал лекции "по собственным запискам". Такой порядок кажется нам теперь естественным и необходимым, но в те времена такое чтение курса являлось большой заслугой и большим достоинством лектора. Лекции Э. X. Ленца отличались строгим, критическим и систематическим изложением и всегда сопровождались опытами, к которым он приготовлялся заранее и которые потому всегда бывали удачны. Эксперименту Э. X. Ленц вообще придавал очень большое значение и, пока физический кабинет университета ещё не был в достаточной степени оборудован, допускал студентов к занятиям в физическом кабинете Академии наук и даже разрешал, под свою личную ответственность, брать приборы для производства опытов на дом. Э. X. Ленц в течение ряда лет был деканом физико-математического факультета. После утверждения университетского устава 1863 г. он был избран ректором университета, но в этой должности ему пришлось пробыть недолго. В августе 1864 г. он получил заграничный отпуск для лечения хронического заболевания глаз. 10 февраля 1865 года Эмилий Христианович Ленц скоропостижно скончался в Риме.

Вице-президент Академии наук В. Л. Буняковский говорил на соединённом заседании физико-математического и филологического отделений Академии 21 февраля 1865 г. после получения известия о смерти Ленца: "...Все мы постоянно видели в нём образец прямодушия, беспристрастия и правдивости. Всем, знавшим Эмилия Христиановича, известна его независимость мнений и поступков от всяких внешних влияний и отношений, против которых так трудно бывает устоять... Одарённый умом светлым и проницательным, он нередко разрешал сомнения, встречавшиеся при обсуждении каких-либо щекотливых или затруднительных вопросов... Академия весьма часто назначала Эмилия Христиановича в члены комиссий по таким предметам, которые требовали особенной опытности и сообразительности... Молодым людям, занимавшимся наукой, он всегда с готовностью оказывал возможное содействие и помощь...". Буняковский вспоминает и о беседах с Ленцем, "которые так поучительно умел он воодушевлять своим светлым воззрением на разнообразные вопросы жизни и науки".

Чтобы оценить по достоинству всё сделанное Э. X. Ленцем в области электромагнетизма, необходимо полнее представить себе положение дел и широко распространённые в то время воззрения в учении об "электрических" и "гальванических" явлениях.

Физики имели дело, с одной стороны, с электрическими зарядами, получаемыми путём трения, с процессами распространения этих зарядов по поверхности проводников, с зарядкой и разрядкой конденсаторов, - словом, со всеми теми явлениями, которые тогда называли электрическими и которые ещё и теперь не совсем правильно относят к области электростатики. С другой стороны, были известны явления электрического тока, источниками которого были различные гальванические элементы. Эти явления называли "гальваническими". Только очень немногие физики склонялись к тому, что в "электричестве" и "гальванизме" они имеют дело с одними и теми же явлениями природы. То было время, когда в физике господствовали представления о "невесомых жидкостях": теплороде, светоносной жидкости и т. д., наличием которых и переходом их из одного тела в другое хотели объяснить все физические явления. Явления электричества и гальванизма имели между собой коренные различия, вызываемые, как мы теперь знаем, большой "разницей потенциалов" и малыми "количествами электричества" в случае электрических явлений и, наоборот, малой разницей потенциалов (малым "напряжением") и большим количеством протекающих по проводу электрических зарядов ("большой силой тока") в случае гальванических явлений. Физикам того времени, в дополнение к предоставлениям о существовании большого числа различных невесомых жидкостей или флюидов, нетрудно было представить себе существование ещё двух различных флюидов - "электрического" и "гальванического". В то время казалось твёрдо установленным, что излучения различных источников света производят различное действие: в случае одних источников преобладали так называемые "химические" (ультрафиолетовые) лучи, в случае других - "тепловые" (инфракрасные), в случае третьих - собственно световые лучи, видимые глазом. По аналогии казалось естественным, что различные источники электрического тока, в том числе даже гальванические элементы, могут давать токи различного свойства. Поэтому вовсе не было очевидным, что к токам, полученным путём фарадеевской индукции, должны быть приложимы те же самые законы, что и к токам от гальванических элементов. Подтверждение противоположному заключению находили в ряде неправильно поставленных или неправильно истолкованных опытов. Так, вторично индуктированные переменные токи не могли сообщать магнитной стрелке постоянное отклонение, не могли быть применены для получения явлений электролиза в чистом виде и т. д. Всеобщий характер закона Ома не понимали, придавая этому закону только ограниченное каждым отдельным случаем той или иной электрической цепи значение. При таком широком распространении ошибочных воззрений делать глубокие обобщения и искать общие законы явлений электрического тока представлялось трудным и смелым делом. Надо было не только установить общие положения путём гениальной индукции, основанной на чрезвычайно ясном- понимании всех отдельных фактов, но и предварительно ещё весьма строго и критически охватить умственным взором весь "фактический материал". Нужно было понять ошибки, допущенные рядом экспериментаторов, и не только проникнуться идеей об единой природе и единых законах электрического тока, но и подтвердить это единство экспериментально. Великая заслуга Э. X. Ленца заключается в том, что, несмотря на противоречивые экспериментальные данные, он твёрдо верил в единую природу электрического тока, каково бы ни было происхождение последнего; в том, что он путём безукоризненно поставленных экспериментов показал, что сила индуктированного тока определяется количественно точно теми же условиями и тем же законом Ома, что и сила любого другого тока. Тотчас же после опубликования М. Фарадеем мемуара, описывающего явления индукции электрических токов, Э. X. Ленц приступил к экспериментам, которые привели его к следующим выводам: сила индуктированного тока определяется электродвижущей силой, возникающей во вторичном контуре, и сопротивлением этого контура; индуктированная электродвижущая сила пропорциональна числу витков вторичной обмотки и не зависит ни от радиуса витков, ни от поперечного сечения проводника, ни от вещества последней.

"Эти результаты Ленца, - говорит В. К. Лебединский в статье, написанной 50 лет тому назад, - не носят теперь название законов; они все вытекают из нашего представления о магнитном поле. Но в своё время они были первым шагом в разборе чудесных явлений индукции". Насколько эти совершенно правильные выводы противоречили широко распространённым воззрениям, видно из того факта, что издатель журнала "Анналы физики и химии" - известный физик Поггендорф - далеко не сразу решился поместить их в своём журнале. Хотя эти результаты были получены Э. X. Ленцем в 1832 г., его мемуар появился в "Анналах" лишь в 1835 г. - только через год после следующей его статьи, доложенной в Академии наук 29 ноября 1833 г. и содержащей изложение и экспериментальное обоснование того обобщённого закона индукции, который теперь носит название "правила Ленца". В этой статье Э. X. Ленц говорит, что Фарадей для каждого отдельно рассматриваемого случая индукции даёт специальное указание для определения направления индуктированного тока. Эти указания нельзя обобщить, и, более того, некоторые случаи индукции токов остаются непредусмотренными. "Тотчас же после прочтения мемуара Фарадея мне показалось, что все случаи индуктированных токов могут быть сведены очень простым способом к законам электродинамических движений", - говорит Э. X. Ленц и высказывает следующее, совершенно общее и пригодное для всех случаев индукции электрических токов, положение:

"Если металлический проводник передвигается вблизи гальванического тока или вблизи магнита, то в нём возбуждается гальванический ток такого направления, которое вызвало бы движение покоящегося провода в направлении, прямо противоположном направлению движения, навязанному здесь проводу извне, в предположении, что находящийся в покое провод может двигаться только в направлении этого последнего движения или в прямо противоположном".

Это положение Э. X. Ленц обосновывает многочисленными примерами, взятыми как из чужих, так и из собственных опытов. Анализируя физическую сущность высказанного положения, Э. X. Ленц приходит ещё к следующему обобщению: "Если мы хорошо уясним себе приведённый выше закон, то мы сможем вывести заключение, что каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определённый случай электромагнитной индукции", или, выражаясь короче: каждому электромагнитному явлению соответствует определённое магнитно-электрическое явление. Это обобщение естественно приводит к следующему: при передвижении проводника в магнитном поле и возбуждении в нём тока (магнитно-электрическое явление) мы преодолеваем действие какой-то силы; эта сила не что иное, как та, которая приводит в движение проводник при соответствующем электромагнитном явлении. Таков был, повидимому, ход мысли, приведший Э. X. Ленца к его "правилу".

Современное теоретическое обоснование закона Ленца зиждется на законе сохранения энергии и близко к указанному ходу мыслей. Но закон сохранения энергии был окончательно сформулирован лишь в 1847 г., т. е. 14 лет спустя после доклада Э. X. Ленца в Академии наук. Это показывает, что Эмилий Христианович был в числе тех физиков, которые, хотя и неясно, но "предчувствовали" существование закона сохранения энергии. Весьма интересно, что в том же томе "Анналов" некто физик Ричи, из чисто умозрительного сопоставления движения проводника с током в магнитном поле и явлений индукции Фарадея, но без деятельного сличения с опытом, приходит к ошибочному выводу, прямо противоположному закону Ленца.

Другой общеизвестный закон физики, с которым связано имя Э. X. Ленца, это закон Джоуля-Ленца, выведенный Э. X. Ленцем в 1844 г., независимо от работы Джоуля, путём более точно поставленных экспериментов, чем опыты Джоуля. Закон Джоуля-Ленца устанавливает, что количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Мы не имеем возможности остановиться на всех работах Э. X. Ленца в области электромагнетизма. Скажем только, что Э. X. Ленд и Б. С. Якоби установили условия, от которых зависит подъёмная сила магнита. Их выводы опять вполне согласуются с законом сохранения энергии и разбивают несбыточные мечты некоторых фантазёров. Э. X. Ленц использовал своё глубокое понимание законов электродинамики для рассмотрения явлений в динамомашине. Он показал, что необходимо учитывать не только токи, индуцируемые во вращающемся якоре машины магнитным полем полюсов машины, но и самоиндукцией обмотки якоря; эта самоиндукция приводит к очень существенному а работе электрической машины явлению, носящему название "реакции якоря"; Э. X. Ленц объяснил, таким образом, почему, например, первые попытки применить генераторы постоянного тока для гальванопластики потерпели неудачу и почему положение "щёток" машины должно быть сдвинуто на некоторый угол по сравнению с тем наивыгоднейшим положением, которое указывает первоначальная теория машины, не учитывающая реакции якоря.

Исследования Э. X. Ленца легли в основу грандиозного здания современного учения об электричестве и важнейших разделов практической электротехники.

Главнейшие труды Э. X. Ленца: работы, помещённые в "Poggendorfs Annalen" (в скобках указаны год и том): О правиле, по которому происходит сведение магнитоэлектрических явлений на электро-магнитные (правило Ленца) (1834, 31); Об опытах с индуктированными токами (1835, 34); Мемуар, в котором даётся критический разбор работ де-ла-Рива об особенных свойствах индукционных токов (1839, 48); Исследования над динамомашинами (1842, 57); Работа, в которой устанавливается закон, известный как закон Джоуля-Ленца (1844, 61); О значении скорости вращения на индукционный ток, возбуждённый магнитно-электрической машиной (1849, 76); на русском языке: Физическая география, Спб., 1851 (3 изд. - 1858); Руководство к физике, Спб., 1839 (б изд.-1864); Руководство к физике для военно-учебных заведений, Спб., 1855.

О Э. X. Ленце:Савельев А., О трудах акад. Ленца в магнито-электричестве, "Журн. Министерства нар. просв.", 1854, №8, 9; Лебединский В., Ленц, как один из основателей науки об электромагнетизме, "Электричество", 1895, № 11-12; Очерк работ русских по электротехнике с 1800 по 1900 год, Спб., 1900.