Эмилий Христианович Ленц

Эмилий Христианович Ленц (нем. Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804-1865) – известный российский ученый немецкого происхождения, стоявший у истоков электротехники и учения о магнитных явлениях. Открыл закон, определяющий тепловое воздействие электрического тока и закон индукции, названный именем автора. Помимо физики, ученого интересовали проблемы механики, геофизики, океанографии, а также химические технологии.

Яркая молодость

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.

Кругосветная экспедиция

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 конце XIX века адмирал Степан Осипович Макаров высоко отозвался об изобретении физика, назвав его лучшим способом доставки воды с глубины. 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.

Экспедиция на Эльбрус

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 участив 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.

Открытия в области электромеханики

После открытий Майкла Фарадея осталось немало вопросов, связанных с электромагнитной индукцией. Еще не было точных приборов и методик измерения магнитных величин, не существовало количественных характеристик и закона о направлении индуктированных токов. Существенный вклад в разрешение этих противоречий внес именно Ленц.

Его активный интерес к электромагнетизму был определен открытием законов Ома и Ампера. Пытливый ум талантливого экспериментатора захотел на практике проверить справедливость выводов их авторов. Эмилий Христианович имел большой опыт использования крутильных весов Кулона, с помощью которых в 1832 году подтвердил правильность выводов Ома, что позволило признать его закон мировым научным сообществом.

После открытия явления электромагнитной индукции ученый разработал баллистический метод измерений, призванный изучать законы индукции. Он провел серию экспериментов, направленных на определение количественных законов индукции. Гипотеза Ленца состояла в следующем: сила мгновенного тока индукции обладает эффектом аналогичным удару. Его сила может быть установлена по скорости, которая сообщалась стрелке мультипликатора – единственного в эти годы индикатора тока.

Установка Ленца представляла собой укрепленный на столе постоянный магнит с якорем, имеющим обмотку, которая электрически соединялась с мультипликатором. Данные прибора наблюдались с помощью оптической трубы и специального зеркала. На основе описанного метода был создан современный баллистический гальванометр.

Полученные результаты Ленц тщательно проанализировал и сделал ряд выводов, получивших высокое научное признание.Ученый понял, что на появление индуктированного тока влияет скорость «отрывания» катушки от магнита. Возбуждаемая в ней сила прямо пропорциональна количеству витков и тождественна сумме электродвижущих сил, появляющихся при каждом витке. Но на нее никак не влияет материал и диаметр якорной обмотки. Все представленные закономерности стали ключевыми количественными характеристиками электромагнитной индукции.

Открытие закона Ленца

Отталкиваясь от работ Фарадея, Ленц организовал несколько оригинальных опытов, призванных объяснить природу открытых им явлений. Осенью 1833 года ученый выступил на заседании Академии наук с докладом о полученных в ходе экспериментов выводах в области электромагнетизма. Он познакомил научную общественность с основополагающим законом электродинамики (закон Ленца), в котором утверждалось, что любому электромагнитному явлению соответствует затраченная механическая энергия. Тем самым российский физик вплотную приблизился к открытию закона сохранения и превращения энергии, который спустя 8 лет сформулировал немецкий физик Р. Майерс.

Вывод справедлив, ведь если внешняя сила заставит магнит или проводник с током перемещаться рядом с замкнутым проводником, его механическая энергия трансформируется в электромагнитную энергию тока индукции. Согласно закону Ленца, побуждаемая сила индуктированного тока блокирует движение, которым он был вызван. Иными словами, при наличии магнита необходима большая затрата энергии, нежели в его отсутствие.

Эмилий Христианович был уникальным ученым, ведь ему удавалось успешно сочетать фундаментальные научные исследования с их практическим использованием. Взяв за основу собственноручно открытый закон, он вывел принцип обратимости электрических машин. В итоге Ленцу удалось доказать, что одна и та же электромашина может выступать в качестве источника тока (генератора) либо быть электрическим двигателем.

Внимательно изучая характер работы электромашин, Ленц открыл еще одно важнейшее физическое явление, полезное для электротехники. Оно связано с влиянием магнитного поля, которое создается током в обмотке якоря на обмотку полюсов. Возникающие таким образом явления стали называть «реакция якоря».

Закон Джоуля-Ленца

Огромное значение для науки имели труды российского физика по установлению количества тепла, которое выделяется током в проводнике. В 1833 году Ленц обнаружил связь между электропроводностью металлов и степенью их нагревания. Для более объективной фиксации измерений он сконструировал специальный прибор, позволяющий точно определить количество выделяемого тепла. В результате науку обогатил еще один закон, названный именем Джоуля-Ленца. Причина двойного наименования связана с тем, что окончательную версию закона Эмилий Христианович представил в 1843 году почти в одно время с английским ученым Джеймсом Джоулем.

Формулировка научного закона звучит так:

Количества теплоты, выделяемой в проводнике, прямо пропорционально его сопротивлению, квадрату силы тока и времени движения тока по проводнику.

Сегодня, пользуясь этим законом, рассчитывают мощность электрических нагревателей и объем теплопотерь на линиях электропередач.

В соавторстве с Борисом Семёновичем Якоби Ленц организует эксперименты по изучению законов намагничивания железа. Их совместные труды «О притяжении электромагнитов» и «О законах электромагнитов» были оценены научным сообществом очень высоко. В 1844 году ученый узнает о трудностях одного из коллег, работавшего в области электромедицины, которые были связаны с подключением нескольких пациентов к параллельным цепям источника. Озабоченный этой проблемой Ленц, предложил формулу, позволяющую определить ток в любой из параллельных цепей, которые содержат источники электродвижущих сил.

Преподавательская стезя

Эмилий Христианович был блестящим преподавателем, чьи лекции студенты старались не пропускать. Его занятия по физике и физической географии выделялись ясностью и доходчивостью, подкупая безупречной систематизацией материала. Ленц написал учебники для гимназий по этим дисциплинам, которые сумели выдержать несколько изданий. За свою преподавательскую карьеру он успел поработать в одном из старейших учебных заведений страны Петришуле (школа св. Петра), Михайловском артиллерийском училище и Главном педагогическом институте.

На протяжении трех десятилетий ученый был профессором, а с 1863 года первым избранным ректором Петербургского университета. Он приложил огромные усилия для становления и развития знаменитой физико-математической школы. Благодаря Ленцу были внедрены современные на тот момент принципы преподавания профильных дисциплин, что стало причиной их дальнейшего расцвета.

Эмилий Ленц скоропостижно ушел из жизни 10 (29) января 1865 года в Риме, куда отправился для лечения глаз. Похоронен в Вечном городе на одном из протестантских кладбищ.

Интересные факты

• Ленц внес большой вклад в изучение науки о Земле, сделав вывод о первостепенном влиянии солнечной радиации на процессы, происходящие в атмосфере планеты.
• Задолго до изобретения осциллографа ученому удалось создать коммутатор, позволивший ему первым в мире снять фазовые кривые тока намагничивания и показать их как синусоиды.
• Студентом Ленца в Главном педагогическом институте был выдающийся химик Дмитрий Иванович Менделеев, на становление личности которого он оказал большое влияние.
• Эмиль Христианович был членом научных обществ многих европейских государств, в том числе Туринской и Берлинской академии наук.
• В честь Ленца был назван кратер на Луне, находящийся на её оборотной стороне.
• Несмотря на то, что Ленц всю жизнь прожил в Российской империи, он так и не выучил русский язык, что ему не помешало стать основателем отечественной школы электротехники.