Один из основоположников электротехники

Со школьной скамьи всем нам знаком закон Джоуля – Ленца, устанавливающий, что выделяемое током в проводнике количество теплоты пропорционально силе тока и сопротивлению проводника.

          Другой известный закон – «правило Ленца», по которому индукционный ток всегда движется в направлении, обратном тому действию, которое его породило.

          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.

        Эмиль Христианович Ленц (Heinrich Friedrich Emil Lenz) родился 12 (24) февраля 1804 г. в городе Дерпте (Юрьеве - ныне Тарту) в семье обер-секретаря городского магистрата Христиана Гейнриха Фридриха Ленца. По происхождению он являлся прибалтийским немцем. Мать Луиза, как говорилось раньше, вела дом. Отец умер, когда Эмилию было 13 лет. Семья осталась почти без средств к существованию. Вдова с трудом растила Эмилия и его младшего брата Роберта. Посильную материальную поддержку семье Ленца оказывал дядя, профессор химии Ф. И. Гизе. Луиза смогла устроить детей в частную школу Диттлера. Здесь Эмилий проявил великолепные способности в математике и естественных науках. Гимназию он окончил первым учеником.

       В 1820 году, по совету своего дяди, Ф.И.Гизе, 16-летний Эмилий поступил в дерптский университет, где изучал физику и физическую географию под руководством профессора Г. Пайпера.

       В 1821 году умер профессор Ф.И.Гизе, который оказывал семье Ленца значительную помощь. Лишившийся дядиной поддержки Эмилий был вынужден перейти на теологический факультет, что дало ему некоторое материальное обеспечение. Не чувствуя, однако, никакой склонности к богословию, Эмилий продолжал заниматься физикой.

       Ещё до окончания университетского курса Э.X.Ленц, благодаря своим выдающимся способностям, по рекомендации профессоров университета был приглашён участвовать в качестве физика в кругосветном плавании Отто фон Коцебу на шлюпе «Предприятие».

      Ещё на этапе подготовки к плаванию учёный 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.

     Экспедиция вышла из Кронштадта в конце июля 1823 года. Обогнув в январе 1824 года мыс Горн, "Предприятие" направилось к архипелагу Туамоту. В марте 1824 года шлюп отдал якорь у острова Таити, откуда двинулся к берегам Камчатки. После непродолжительной стоянки в Петропавловске судно взяло курс на Аляску, откуда проследовало к Сан-Франциско, а затем к Гавайским островам. С островов "Предприятие" вновь направилось сначала на север к Аляске, потом взяло курс на Маршалловы острова.

       Проведя опись нескольких групп атолловых островов, через Манилу и Зондский пролив шлюп в июле 1826 года вернулся в Россию. На протяжении всей экспедиции Э. Х. Ленц совместно с другими членами экипажа исследовал воздушные и морские течения, состав и свойства морской воды; вёл астрономические и географические наблюдения, производил точную опись берегов (в том числе Восточной Камчатки), изучал рельеф, геологическое строение, особенности внутренних вод и почв.

      До исследований Э.Леица единственной причиной морских течений считались ветры. Ленц установил, что причиной ряда морских течений является разница плотности воды в высоких и низких широтах. Таковы глубинные течения холодных вод из районов, прилегающих к Антарктиде, и из Северного Ледовитого океана. Этим же объясняются низкие температуры воды в глубинных слоях тропической зоны Мирового океана.

       Работа Ленца, его талант изобретателя получили высокую оценку. Результаты научных исследований этой экспедиции он напечатал в 1831 году в "Мемуарах Академии наук".

        В очень короткий срок он совместно с ректором Е. И. Парротом создал уникальные приборы для глубоководных океанографических наблюдений - лебедку-глубомер и батометр. В плавании Ленц провёл океанографические, метеорологические и геофизические наблюдения в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах.

        Замечательной чертой Ленца как учёного было глубокое понимание физических процессов и умение открывать их закономерности.

     По возвращении из экспедиции Э. Х. Ленц ушёл из университета и некоторое время жил вместе с матерью в Дерпте. Затем перебрался в Петербург.

   В 1828 году Ленц был избран адъюнктом Санкт-Петербургской академии наук, через шесть лет стал академиком. В 1836-м он возглавил кафедру физики и физической географии Санкт-Петербургского университета, с 1840-го был деканом физико-математического факультета. В этом же году учёный получил степень доктора Гельсингфорского университета. 

      В общем, Эмилий Ленц более 30 лет преподавал физику и физическую географию в различных высших учебных заведениях Санкт-Петербурга.

      Параллельно с преподаванием Ленц регулярно выезжал в научные экспедиции.

       В сентябре 1829 года Ленц выполнил гравитационные и магнитные наблюдения в Николаевской обсерватории по программе, составленной А. Гумбольдтом, участвуя в наблюдениях за качанием маятника в этой точке земного шара.

     Успешной была и экспедиция в Крым и на Кавказ (под руководством генерала Эммануэля), где он также принимал участие в первом восхождении на Эльбрус и барометирическим способом определил высоту этой горы. Высота подъёма составила 4267 метров, погода не позволила достичь вершины, хотя до неё оставалось всего 183 метра. На карте Эльбруса к северо-востоку от вершины остались Скалы Ленца.

      Тем же способом он установил, что уровень Каспийского моря ниже Чёрного на 30,5 метров. Ленц изобрёл магнитный теодолит и усовершенствовал ряд других геофизических приборов.

      Ленц заложил основы баллистического метода измерения физических величин, содействовал признанию закона Ома. Используя результаты Ленца, Г.Гельмгольц получил выражение для ЭДС индукции на основе закона сохранения и превращения энергии.

       Начиная с 1831 и по 1836 год он занимался изучением электромагнетизма.

      В 1833 г. Ленц заметил, что правила Фарадея и Нобили, служащие для определения направления индуктивных токов, предусматривали слишком много различных случаев, тогда как, учитывая электродинамический закон

Ампера, их можно было легко свести к одному правилу, применимому во всех случаях. Ленц сформулировал это правило, носящее сейчас его имя (закон Ленца). Классическая современная формулировка правила Ленца такова: индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине, его вызывающей. Иначе говоря, если магнит приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся при этом в замкнутом проводнике ток (индукционный) своим магнитным полем обязательно будет отталкивать этот магнит.

        Правило Ленца имеет глубочайший для физики смысл. В нём ученый чётко и ясно высказал мысль, которая воплотилась несколько лет спустя в одном из важнейших и фундаментальных законов естествознания — законе сохранения и превращения энергии.

      Правило Ленца впервые устанавливает связь между электромагнитными и электродинамическими явлениями, то есть всеобщность закона сохранения энергии. В своей работе, посвященной сделанному открытию, Ленц пишет: «…работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике». Эти слова не что иное, как пример применения к электричеству принципа превращения одного вида энергии в другую.

            Ленц был женат на восхитительной женщине, с которой прожил более полувека. Они вместе воспитали двоих детей.

           В 1839 году он составил «Руководство к физике» для русских гимназий, выдержавшее одиннадцать изданий.

       В числе его учеников были Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев, П.П. Семёнов-Тян-Шанский, Ф.Ф. Петрушевский, А.С. Савельев и др.

       Сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная - так звучит закон сохранения и превращения энергии, который древние греки формулировали как "из ничего ничего не бывает". Многие учёные внесли свой вклад в открытие этого закона.

       В учёной среде долгие годы шли споры относительно того, кто первым открыл знаменитый Закон сохранения энергии. Помимо Джоуля, его сформулировал немецкий учёный Майер, который сделал это несколько раньше. Однако Майер был по профессии врачом и его работы по физике не принимались всерьёз, в то время как Джоуля знали и поддерживали крупные светила в области физики.

        Борьба за приоритет велась силами целого ряда английских и немецких учёных, при этом каждый из них, как правило, защищал своего соотечественника и принижал вклад «иностранца». В конце концов формально был признан приоритет Майера, однако правильнее было бы сказать, что к этому закону оба учёных пришли практически одновременно.

       Согласно исследованиям Джоуля, теплота, которая выделяется в проводнике, пропорциональна его сопротивлению и квадратичной силе тока, через него проходящего. Первое упоминание этой взаимосвязи Джоулем датируется 1841 годом, тем не менее, у этого утверждения есть и второй признанный автор.

      В 1842 году, изучая тепловое действие тока, Ленц открыл, независимо от Джеймса Джоуля, закон, который теперь носит имя Джоуля – Ленца, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени.

  Совместно с Б.С. Якоби Ленц разработал методы расчёта электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних "реакции якоря",  изучал зависимость сопротивления металлов от температуры. 

        В 1845 году было создано Русское географическое общество. В числе его учредителей были и питомцы Дерптского университета академики Э.Ленц, Ф.Струве, Э.Бэр, адмиралы А.Крузенштерн, Ф.Врангель и писатель В.Даль. До конца жизни Эмилий Христианович выполнял в Географическом обществе большую разностороннюю работу.

     В 1851 году был опубликован фундаментальный труд Эмилия Ленца «Физическая география», который в дальнейшем неоднократно переиздавался в России и за рубежом. В этой работе Ленц рассмотрел строение земной коры, происхождение и перемещение образующих её пород и показал, что она непрерывно изменяется и что этот процесс влияет на рельеф материков. Он открыл важные закономерности суточного и годового хода температуры и давления воздуха, ветровой деятельности, испарения воды, конденсации водяного пара и образования облаков, электрических и оптических явлений в атмосфере: объяснил происхождение голубого цвета неба, радуги, кругов около Солнца и Луны и ряда редких атмосферных явлений.

        Ленц установил причину небольшого повышения температуры воды с глубиной в зоне к югу от 51 градуса южной широты и отметил, что подобная инверсия этой характеристики должна иметь место и в Северном Ледовитом океане. Ленц установил, что солёность воды мало изменяется с глубиной, а в верхнем слое уменьшается с широтой. Плотность воды возрастает с широтой и с глубиной. Главная причина такого её изменения заключается в уменьшении температуры воды в этих направлениях.

       Ленц пришёл к выводу, что из-за увеличения плотности воды с широтой в Мировом океане наряду с течениями, вызываемыми ветром и наклоном уровня, должно существовать общее и не менее сильное движение поверхностных вод из тропической зоны в области высоких широт и движение глубинных вод из этих областей в тропическую зону.

      Огромное значение для развития науки о Земле имеет положение Ленца, согласно которому главной причиной процессов, происходящих в атмосфере, является солнечная радиация. Ленц заключил, что наибольшая часть солнечной радиации поглощается Мировым океаном. Эта энергия расходуется в основном на испарение воды, вызывая её кругообращение в эпиогеосфере. Поэтому океаны, огромные резервуары тепла и влаги, играют гигантскую роль в формировании климата Земли. Наряду с американским учёным М.Ф. Мори, он был основоположником учения о взаимодействии океана с атмосферой.

      Продолжая настойчиво заниматься физическими исследованиями, Э. Х. Ленц более 30 лет преподавал физику и физическую географию в различных военных и гражданских высших учебных заведениях Петербурга. Он преподавал в Морском корпусе, в Михайловской артиллерийской академии, в Педагогическом институте, а также читал лекции по физике великим князьям Константину, Николаю и Михаилу Николаевичам и великим княжнам Ольге и Александре Николаевнам.

  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. Э. Ленц читал лекции "по собственным запискам", они отличались строгим изложением и всегда сопровождались демонстрациями опытов, к которым он приготовлялся заранее. 

     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.

       Главнейшие результаты его исследований излагаются и во всех учебниках физики. Именно:

• закон индукции («Правило Ленца»), по которому направление индукционного тока всегда таково, что он препятствует тому действию, которым он вызывается (1834 г.).

• «Закон Джоуля и Ленца»: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника (1842).

• Опыты, подтверждающие «явление Пельтье»; если пропускать гальванический ток через висмутовый и сурьмяной стержни, спаянные концами и охлажденные до 0 °C, то можно заморозить воду, налитую в ямку около спая (1838).

• Опыты над поляризацией электродов (1847) и т. д.

        Тяжелое заболевание глаз вынудило Э. Х. Ленца в августе 1864 году прервать научную и педагогическую деятельность и уехать на лечение в Рим. Здесь его состояние улучшилось благодаря стараниям врачей, перемене климата, а главное — отдыху. Он стал видеть, начал понемногу читать и даже пытался работать.

   Однако улучшение было недолгим — 29 января (10 февраля) 1865 года Эмилий Христианович скоропостижно скончался от кровоизлияния в мозг и был похоронен в Риме на одном из протестантских кладбищ. 

       Вице-президент Академии наук В. Л. Буняковский говорил 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...".

      Открытия Ленца являются одним из краеугольных камней современного учения об электромагнитных явлениях и практической электротехники.

       Э. Х. Ленц известен многими открытиями в области физики. Но среди его научных работ особенно известны две. В 1833 году он установил правило определения направления электродвижущей силы индукции (так называемый закон Ленца), а в 1842 году (независимо от Дж. Джоуля) — закон теплового действия электрического тока (известный как закон Джоуля-Ленца). Кроме того, совместно с Б. С. Якоби Эмилий Христианович впервые разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах.

        С именем Ленца связаны фундаментальные открытия в области электродинамики. Наряду с этим учёный по праву считается одним из основоположников русской географии.

        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".

Рассказывают, что…

*Задолго до изобретения осциллографа учёному 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 в 1970 году 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.

• Немецкий поэт и писатель периода «Бури и натиска» Якоб Михаэль Рейнхольд Ленц приходился Эмилию Ленцу двоюродным дедом.

*Младший брат учёного Роберт Ленц стал первым в России профессором санскрита, написал работу о родстве славянских языков с санскритом. Умер в 28 лет от тифа.

*Сын Эмилия Ленца, Роберт, как и отец стал физиком. Проводил астрономические, геомагнитные и гравитационные исследования в Персии, Афганистане и Финляндии, был членом-корреспондентом Академии наук и профессором университета. В течение десяти лет был директором Экспедиции заготовления государственных бумаг.

*Во время своей экспедиции на Кавказ Эмилий Ленц собрал в окрестностях Баку образцы нефти и горючих газов, а также установил футшток для наблюдений за уровнем Каспия.

• Родной город Ленца был основан в 1030 г. великим князем Ярославом I Мудрым. Город получил название Юрьев. Но под натиском немецких феодалов владения русских князей в Прибалтике были утеряны и в 1224 г. город обрёл новых хозяев, которые переименовали его в Дерпт. А во времена Тридцатилетней войны он отошел к Швеции. Тогда и возник Дерптский университет. В 1721 г. город отходит к России, но университет был закрыт. И только в 1802 г. он открылся вновь.