История создания и массового применения электродинамических и электромагнитных измерительных приборов

История создания и массового применения электродинамических и электромагнитных измерительных приборов в физическом эксперименте, организации учебных занятий и проведения научных экспериментов имеет свою древнюю историю.

Еще в далекие времена человек обратил свое внимание, что разные предметы, например, янтарная или эбонитовая палочка, если их натереть шерстяной, шелковой тряпочкой, начинают притягивать к себе мелкие и легкие предметы. В те же годы, было замечено, что различные камни – обладают различными свойствами. Из одних можно выплавлять металл, другие использовать для обогрева своего жилища, а природные магниты, не только «рисуют» свое электромагнитное поле на бумаге с помощью мелких металлических опилок, но и способны взаимно притягиваться или отталкиваться.

Эти физические явления заинтересовали человека разумного, они стали глубоко изучаться, а на их основе начали создаваться различные технические приспособления, например, компас. Так постепенно в жизнь человечества пришло понятие электричество, электродинамика, электромагнетизм на основе которых ученые, позднее получивших статус – физиков-теоретиков и физиков-экспериментаторов, начали создавать и широко использовать различные электродинамические и электромагнитные измерительные приборы.

К тому же измерительные приборы должны обладать рядом технических, математических, физических характеристик, например, обладать классом точности, быть широкого или узконаправленного действия, их можно крепить горизонтально или вертикально, на металлической или неметаллической пластине и т.п.

Возьмем, например, простейший, на первый взгляд, физический прибор – электрометр. Он представляет собой прозрачный, застекленный с двух сторон металлический цилиндр, внутри которого находится легкая, и, очень подвижная, металлическая стрелка. Под воздействием электрического поля, наличия электрических зарядов, подаваемых на специальный датчик (в простейшем случае – это металлическая спица с шариком на верхнем конце) были проведены многочисленные физические опыта и эксперименты.

Их домашние аналоги может, при желании, изготовить любой любознательный ребенок, начиная с младшего школьного возраста. Важно другое, что с помощью этого и работающих на его основе принципов вновь создаваемых физических приборов были доказаны физические явления о возможности проводимости электрического тока в газах при определенных внешних условиях. Вскоре были открыты явления об ионизации газа, созданию плазмы, возникновению искровых и тлеющих зарядов, искусственной молнии, наличию термоэлектронной эмиссии (электрического тока в вакууме) и многих других физических процессов.

Благодаря вновь создаваемым электродинамическим и электромагнитным приборам и проведенным научным исследованиям основана работа электронных ламп, кинескопов и других технических устройств. Так открытие термоэлектронной эмиссии используется до сих пор, в работе многочисленных электронных приборов и технических (от ламповых, полупроводниковых, до аналого-цифровых и компьютерных) устройств.

В этой связи, уместно напомнить работу электровакуумного диода, простейший вариант которого состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Анод изготовлен из металлической пластины, а катод – из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль. Как правило, концы спирали закрепляются на металлических стержнях, имеющих два вывода, для подключения в электрическую цепь.

Важна, конечна и суть всей этой экспериментальной работы, впервые выполненным американским ученым и изобретателем Томас Эдиссоном (1847-1931), который в далеком 1879 году, обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе возникает электрический ток, если один из электродов (называемой нить накала) нагреть до высокой температуры с помощью электрического тока.

Другой электронный прибор – триод, с помощью которого доказывается физическое явление, современный факт, что потоком электронов, движущихся в электронной лампе от катода к аноду, можно управлять с помощью электрических и магнитных полей, если между последними двумя контактами, поместить - третий электрод, называемой сеткой. Как правило, сетка – это спираль из нескольких витков проволоки вокруг катода. Многочисленными опытами установлено, что если на сетку подается положительный потенциал электричества, относительно катода, то часть электронов пролетает от катода к аноду и в цепи анода существует электрический ток. Если же подавать на сетку отрицательный потенциал электричества, то относительно катода возникающее электрическое поле препятствует движению от электронов от катода к аноду, следовательно, анодный ток убывает. Данный принцип широко используется в работе электронно-лучевых трубок, а на их базе созданных осциллографов, телевещания и др.

Школьники, студенты, при желании, могут многократно повторить эксперименты, работая с различными проводниками, одним и тем источником, например, постоянного тока, на основе которого приходят к выводу, о том, что сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Эти положения, как известно, формулируется и в более полном своем виде, который читается, что «сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению».

Как известно выделенный текст - это закон Ома (I=U/R), один из основных физических законов, на основе которого проводится расчет сопротивления и удельного сопротивления проводников, решаются многочисленные задачи по вычислению силы тока, напряжения.

Затем изучаются возможности реостата, организуются занятия по изучению последовательного и параллельного соединения проводников, работе электрического тока, его мощности, объясняется процесс нагревания проводников электрическим током, формулируется закон Джоуля-Ленца (Q=I²Rt), объясняется действие ламп накаливания, электрических нагревательных приборов, возможность короткого замыкания, работа предохранителей.

Другое направление исследований в электротехнике, пришедшее к нам из прошлого времени (классической физики), без учета которых невозможно понять современные тенденции курса электротехники, по использованию электродинамических, электромагнитных (цифровых) приборов, связано с магнитным полем. Оно включает в себя такие понятия, как: магнитное взаимодействие, его силы (сила Ампера, сила Лоренца), линии магнитной индукции, движение заряженных частиц и т.п.

История создания, массового применения электродинамических и электромагнитных измерительных приборов в физическом эксперименте, организации учебных занятий и проведения научных экспериментов по электротехнике, имеет свою древнюю и достаточно интересную историю. К тому же, создание достаточно надежного, наиболее точного измерительного прибора – это очень сложный и трудоемкий процесс. На сегодня, учеными-физиками, специалистами в области энергетики педагогическими работниками и практиками нет еще четко выраженной позиции по этому вопросу. Ряд специалистов, ратуют за то, что бы все измерительные приборы были разделены на две группы: аналоговые и цифровые, другие придерживаются иной точки зрения.

Список литературы:

1. Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика: Учеб. для 8 кл. сред.шк. – 11-е изд.- М.: Просвещение, 1991. – 191 с.
2. Кабардин О.Ф., Кабардина С.И., Шефер Н.И. Факультативный курс физики, 9 кл. М.: «Просвещение», 1978.- 207 с.
3. http://works.doklad.ru/view/8LNrAxVDV6o/all.html