7.1. Оборотність електричної і теплової енергії. Закон Джоуля –Ленца

Численні досліди, проведені наприкінці XVIII – на початку XIX століття, дозволили не тільки встановити основні властивості та закони електрики, але і сформулювати епохальний за своєю значущістю висновок щодо еквівалентності між теплотою і механічною роботою: робота, або, як згодом стали формулювати, «енергія», ніколи не втрачається, а лише переходить з одного виду в інший. Цей висновок, що одержав згодом назву закону збереження і перетворення енергії (див. підрозділ 1.2), і полягав в тому, що теплоту можна перетворити в механічну роботу і, навпаки, з певної кількості теплоти можна одержати тільки певну кількість механічної роботи. Можна навести тисячі прикладів, коли за допомогою цього закону знайшли своє об'єктивне тлумачення результати дослідів у різних областях природознавства.

Основними положеннями закону збереження енергії скористалися і електротехніки при визначенні, наприклад, кількості теплової енергії, що виділяється в гальванічній батареї внаслідок хімічної реакції і перетворюється згодом на електричну енергію. Проте особливість електричної енергії полягає в тому, що сама по собі електрика не застосовується. Людство не може використовувати її безпосередньо подібно до того, як воно зігрівається теплотою, бачить завдяки світлу і т.п. Можна користуватися тільки дією електричного струму, коли електрика переходить в інші форми енергії.

Одним з перших глибоко досліджував властивості електричного струму в 1801–1802 роках петербурзький академік В.В. Петров (1761–1834), який провів багато експериментів по вивченню невідомих у той час законів електричного струму. Вивчивши роботи своїх попередників, Петров дійшов висновку, що більш повне і всебічне дослідження електричного струму можливе лише за допомогою крупних гальванічних батарей, дія яких буде інтенсивнішою і легше спостережуваною. Для своїх дослідів Петров побудував найкрупнішу в світі в ті роки батарею з 4200 мідних і цинкових кружків, укладених в чотирьох дерев'яних ящиках, і одержав від неї електрорушійну силу близько 1700 вольт. Завдяки «лежачій» конструкції важкі металеві кружки не видавлювали рідину, якою просочувалися паперові кружки, що розділяли цинкові та мідні елементи.

Для ізоляції він покрив внутрішні стінки ящиків сургучним лаком. Загальна довжина батареї склала 12 м. Все це дозволило йому побудувати «огромную наипаче» батарею, якої не знав ще світ. Вже в 1801 році він знайшов залежність сили струму від поперечного перетину провідника, тоді як німецький фізик Ом, що працював над цими проблемами, опублікував результати своїх дослідів тільки в 1827 році. Дуже скоро ним було помічено, що при проходженні електричного струму провідником останній нагрівається.

У своїх працях В.В. Петров описує досліди з електролізу рослинних олив, в результаті яких він виявив високі електроізоляційні властивості цих олив. Пізніше оливи набули широкого застосування як електроізоляційний матеріал. Бажаючи продемонструвати явище електролізу одночасно в декількох трубках з водою, Петров вперше застосував паралельне з'єднання приймачів електричного струму. Роботи цього видатного вченого встановили можливість практичного використання електричного струму для нагрівання провідників.

Залежність кількості теплоти, що виділяється, від сили струму вивчали англійський фізик Джеймс Джоуль і російський фізик Емілій Ленц. Вони пропускали струм по спіралі, вміщеній в калориметр з водою. Через деякий час вода нагрівалася. По її температурі легко було обчислити кількість теплоти, що виділилася. З проведених дослідів практично одночасно Джоуль і Ленц дійшли висновку, що при проходженні гальванічного струму I провід ником, що має певний опір R, протягом часу t здійснюється робота А:

А = I²Rt, 

яка виявляється у вигляді теплоти, що виділилася.

Емілій Християнович Ленц (1804–1865) – відомий російський фізик і електротехнік, академік Петербурзької академії наук, ректор Петербурзького університету – народився в Дерпті (нині Тарту, Естонія) в сім'ї чиновника. Після другого курсу Дерптського університету відправився в 1823 році в трирічне кругосвітнє плавання. За допомогою сконструйованих ним приладів (глубометра і батометра) займався фізичними дослідженнями у водах Берингової протоки, Тихого та Індійського океанів, встановив походження теплих і холодних морських течій, відкрив закон океанічних циркуляцій. У 1829 році взяв участь в експедиції на Кавказ, де проводив магнітні, термометричні та барометричні вимірювання в гірських районах і на узбережжі Каспійського моря. У 1830 році був призначений екстраординарним професором і директором фізичного кабінету при Петербурзькій АН, в 1836 році очолив кафедру фізики в Петербурзькому університеті, а в 1863 році став ректором цього університету. Основні його роботи присвячені електромагнетизму, питанням теорії і практичного застосування електрики, дослідження в області якої Ленц почав в 1831 році в лабораторії першого російського електротехніка – академіка В.В. Петрова. Ленц стояв біля витоків першої в Росії школи фізиків-електротехніків, послідовниками якої стали О.С. Попов, Ф.Ф. Петрушевський, В.Ф. Міткевич та ін.

Це найважливіше виведення оборотності електричної і теплової енергії, теоретично обґрунтоване Уїльямом Томсоном, одержало назву закону Джоуля–Ленца, а ім'ям Джоуля названа одиниця механічної роботи в системі СI.

Комбінуючи провідники різного опору, включені послідовно в загальне коло, можна домогтися концентрованого виділення великої кількості теплоти на малій ділянці провідника з великим опором. На такій концентрації виділення теплоти були засновані всі первинні досліди перетворення енергії електричного струму в теплову і навіть в світлову енергію.

Все своє життя В.В. Петров – член двох академій – прожив скромно і непомітно. 41 рік він пропрацював в Медико-хірургічній академії. За цей час він провів багато фізичних дослідів, написав три книги і підручник із фізики, яким користувалися в гімназіях всієї Росії. Книги і наукові статті Петров писав російською мовою, щоб їх читало якомога більше людей, хоча у той час наукові роботи було прийнято писати на латині. Він писав:
«Я сподіваюся, що освічені та неупереджені фізики принаймні колись погодяться віддати працям моїм ту справедливість, яку важливість цих останніх дослідів заслуговує».